Après plusieurs années d'assistanat auprès de William Lubtchansky, Caroline Champetier est en 1981 la directrice de la photographie de Toute une nuit de Chantal Akerman. A partir de Soigne ta droite (1985), elle commence une collaboration avec Jean-Luc Godard dont elle photographiera six autres films. Elle travaille ensuite avec Jacques Doillon, Jacques Rivette, Philippe Garrel, Benoît Jacquot, André Téchiné, Barbet Schroeder, Claude Lanzmann et accompagne également une nouvelle génération de cinéastes français : Arnaud Desplechin, Christophe Loizillon, Laëtitia Masson, Pascal Rambert, Xavier Beauvois, Patricia Mazuy... À l'étranger, Nobuhiro Suwa, Amos Gitaï, et le réalisateur palestinien Tawfik Abu Wael.

En 2011, elle signe la photographie du film Holy Motors, réalisé par Leos Carax, et les images de l'installation de Sophie Calle Pour la première et la dernière fois ainsi que celles d'Hanna Arendt réalisée par Margarethe Von Trotta. Elle tourne depuis juillet avec Claude Lanzmann.