Каролина Грушка с 9 лет принимала участие в телевизионной передаче «Дискотека пана Джека» . Впервые появилась в кино в фильме «Шопен во дворце» (1989) Кшиштофа Занусси, где сыграла девочку, переворачивающую ноты великому композитору.
В возрасте 13 лет сыграла первую большую роль в кино, снявшись в сериале режиссёра Изабеллы Цивинской «Божья подкладка» .
В 2003 году окончила варшавскую Театральную академию им. А. Зельверовича.
В 2003—2008 годах работала в Национальном театре в Варшаве, играла в пьесах Шекспира, Мольера и Чехова, в инсценировке «Бесов» Достоевского.
В 18-летнем возрасте снялась в российском фильме «Русский бунт» , снятом по «Капитанской дочке» А. С. Пушкина. Режиссёр Александр Прошкин искал на роль Маши Мироновой юную непрофессиональную актрису, «без опыта Советского Союза в глазах» , которая «выпадала бы из современной жизни, не несла печати „попсы“» . Сразу же за «Русским бунтом» Каролине была предложена роль в военной драме Михаила Пташука «В августе 44-го» . Каролина сыграла любимую девушку немецкого диверсанта Юлию.
С тех пор Каролина Грушка активно снимается в российском кино, по мнению обозревателя газеты «Известия» , «воплощая абсолютную женственность на российском экране» вслед за польскими актрисами Беатой Тышкевич, Барбарой Брыльской, Эвой Шикульской и Гражиной Шаполовской.
В 2005 году вышел фильм «Любовники из Мароны» режиссёра Изабеллы Цивинской, в котором Каролина сыграла главную роль, отмеченную премией на Польском национальном кинофестивале в Гдыне и номинацией на премию Польской киноакадемии «Орлы» .
В 2006 году актриса впервые снялась на Западе в фильме режиссёра Дэвида Линча «Внутренняя империя» , где она исполнила роль потерянной девочки (Lost Girl).
В 2010 году Каролина Грушка была номинирована на приз Чешской киноакадемии «Чешский лев» за роль в фильме режиссёра Томаса Мазина «Три сезона в аду» .
В 2016 году Каролина Грушка сыграла роль Марии Склодовской-Кюри в большом международном проекте «Мария Кюри» французского режиссёра Мари НоэльВ 2014 году награждена призом им. А. Абдулова за лучшую женскую роль на фестивале «Дух огня» в Ханты-Мансийске за роль в фильме «Иван сын Амира» режиссёра Максима Панфилова.
В 2010 году Каролина Грушка была членом жюри конкурса «Перспективы» Московского международного кинофестиваля.