Caroline Champetier est diplomée de l'IDHEC en 1976. Elle devient directrice de photographie et collabore notamment avec William Lubtchansky, Jean-Luc Godard, Leos Carax, Amos Gitaï, Philippe Garrel, Alain Cuny, Claude Lanzmann, Xavier Beauvois, ... Elle préside l'association française des directeurs de la photographie cinématographique (AFC) de 1992 à 2012. Elle obtient le César 2011 de la meilleure photo pour le film Des hommes et des dieux de Xavier Beauvois.