Petite fille et fille de marchands de tableaux (Pierre Loeb est le marchand et l'ami de Picasso, Giacometti , Balthus etc..), Caroline Loeb passe une partie de son enfance aux Etats-Unis. Elle enregistre son premier album à New York en 1983, avec les musiciens de Kid Creole et c'est Mondino, pour lequel elle a été styliste, qui lui fait la pochette. En 1986, le tube « C' est la ouate », qui précède son deuxième album, Loeb C.D, est un énorme succès, non seulement en France, mais aussi en Italie, en Allemagne, en Argentine et en Espagne. Parallèlement, Caroline Loeb continue le cinéma. Elle enchaîne les rôles . Après « Flammes » sorti en 1978 dans lequel elle avait le rôle principal, elle apparaît dans « Les nanas » aux côtés de Juliette Binoche et Anémone, « La nuit porte jarretelles » de Virginie Thévenet et « Quartet » de James Ivory. Elle participe à « Songs » l'album de John Greaves aux côtés de Robert Wyatt, à celui de Ramuntcho Matta hommage à Brian Gysin, puis à un album hommage à Boby Lapointe. Depuis 1993 elle s'est également tourné vers la mise en scène : « Lio chante Prévert », les spectacles des Weepers Circus « Faites entrer » et « La Monstrueuse Parade », ou encore « Shirley » avec Judith Magre en 2000 pour lequel la comédienne reçoit son deuxième Molière. En 2009, la chanteuse réapparaît dans les bacs avec un troisième album de treize titres, « Crime Parfait ».
En 2010, elle tourne avec son spectacle « Mistinguett, Madonna et Moi ».

→ le myspace de caroline loeb