Karoline Eichhorn besuchte die Freie Waldorfschule am Kräherwald in Stuttgart, legte 1986 das Fachabitur ab und besuchte danach bis 1989 die Folkwang-Schauspiel-Schule in Essen. Von 1989 bis 1995 hatte sie Engagements an der Schaubühne am Lehniner Platz und am Schauspielhaus Bochum.
Bekannt wurde sie dem Fernsehpublikum 1995 in den Filmsn Drei Tage im April und Der Sandmann. In letzterem spielte sie eine Journalistin, die bei ihren Recherchen einen zwielichtigen Krimiautor, gespielt von Götz George, ausspioniert. Eichhorn trat vorwiegend im Theatre auf, etwa am Hamburger Thalia-Theatre und am Burgtheater Vienna, spielte aber immer wieder in Film und Fernsehen.
In den vom Südwestrundfunk produzierten Episodes des ARD-Radio-Tatorts spricht sie die Kriminalhauptkommissarin Nina Brändle.[1] In dem Film Die Kirche bleibt im Dorf und der gleichnamigen TV seriesspielte sie die Main role der Christine in schwäbischem Dialekt.
Eichhorn ist mit dem dänischen Schriftsteller Arne Nielsen verheiratet und lebt mit ihm und ihrem Kind in Hamburg. 2012 war sie Mitglied der Internationalen Jury des 61. Internationalen Filmfestivals Mannheim-Heidelberg.[2]
2009: Felix Huby: Schlössers Geheimnis oder Frauen morden anders (KriminalHauptkommissarin Nina Brändle) – Director: Robert Schoen (Radio Tatort – SWR)
2009: Friedrich Ani und Uta-Maria Heim: Falsches Herz (Kriminalhauptkommissarin Nina Brändle) – Director: Günter Maurer (Radio-Tatort – SWR)
2010: Hugo Rendler: Finkbeiners Birthday (Kriminalhauptkommissarin Nina Brändle) – Director: Mark Ginzler (Radio-Tatort – SWR)