Nació en Madrid el 15 de septiembre de 1945. Estudió Filosofía y letras, idiomas y bellas artes en París. Llegó a dirigir una galería de arte, hasta que descubrió su vocación artística.
En los años sesenta Carmen empezó a trabajar en cafés-teatro, en pequeños espacios televisivos y en compañías independientes. Ya en los setenta le ofrecieron pequeños papeles en cine, en películas menores, hasta que pudo trabajar en la compañía de teatro Los goliardos, la cual tenía un cierto prestigio en Madrid.
Su debut cinematográfico fue en 1969 con "Las gatas tienen frío" pero su primer éxito lo tuvo en 1977 con "Tigres de papel". Se destacó por su trabajo con importantísimos directores, como: Carlos Saura, André Techiné y Álex de la Iglesia; pero fue con Pedro Almodóvar con quien creó una estrecha relación laboral.
Su primera película juntos fue "Pepi, Luci, Boom y otras chicas del montón" (1980); le siguieron "Entre tinieblas" y "¿Qué he hecho yo para merecer esto?", por la que recibió diferentes premios nacionales, como el fotogramas de plata a la mejor actriz de cine.
Después realizaron otras tres películas más: "Matador", "La ley del deseo"; y, finalmente, en 1988 "Mujeres al borde de un ataque de nervios" (1988), por la que Carmen obtuvo el premio Goya como mejor actriz protagonista y el Félix como mejor actriz europea.
También hizo otros filmes, como: "Batón rouge", "Tata mía", "Sé infiel y no mires con quién", "Cómo ser mujer y no morir en el intento" -ópera prima de la actriz y cantante Ana Belén-.
En 1990, tras la reciente ruptura con Almodóvar, protagonizó la película "¡Áy, Carmela!", trabajo por el cual volvió a recibir premios, entre ellos otro Goya y el Félix. Durante toda la década del ´90, Carmen no paró de realizar largometrajes tanto en España como en el extranjero, adquiriendo prestigio en especial en Francia, aunque también en Italia, Inglaterra, Chile y Argentina.
Asimismo, volvió al teatro, donde trabajó en Francia, y a la televisión donde aceptó presentar "Esta noche", programa que le dio popularidad, y "Encantada de conocerte".
También actuó en:
"Mentir un peu" (2004)
"Arroz y Tartana" (2003)
"Une mère en colère (2000)"
"Famosos y familia (1999)"
"A las once en casa" (1998)
"Sombras en una batalla" (1993)
"Lisboa" (1999)
"La comunidad" (2000), por este filme ganó su tercer Goya, la concha de plata a la mejor actriz en San Sebastián, el fotogramas de plata, el premio de la Unión de actores, etc.
Recién en 2006 volvió a trabajar junto a Almodóvar, en el film "Volver", por el que recibió en el Festival de Cannes, Premio a la mejor interpretación femenina (junto al resto de las actrices).