Nata a Roma il 18 aprile 1980, Carolina Crescentini, dopo aver frequentato la facoltà di Lettere con indirizzo Spettacolo, inizia a seguire alcuni corsi di recitazioni e viene ammessa al Centro sperimentale di cinematografica, dove si diplomerà nel 2006. Esordisce con piccoli ruoli televisivi nelle serie La squadra 4 (2003) e Carabinieri - Sotto copertura (2005) e con il thriller H2Odio (2006) di Alex Infascelli, uscito direttamente in edicola senza passare per le sale.
Il debutto nel cinema arriva l'anno seguente con Notte prima degli esami - Oggi (2007) di Fausto Brizzi, in cui interpreta un'eccentrica addestratrice di delfini di cui si innamora Nicolas Vaporidis, con cui lo stesso anno condivide il set in Cemento armato. Il successo e la fama raggiunta con questi due film - in particolare con il primo - le permettono di ottenere ruoli sempre più rilevanti e nel 2008 è una dei protagonisti dell'opera prima di Silvio Muccino, Parlami d'amore - grazie al quale viene candidata al David di Donatello - ed è Anna in I demoni di San Pietroburgo, pellicola incentrata sulla stesura de Il giocatore da parte di Dostoevskij.
Nel frattempo continua ad essere attiva sul fronte televisivo con la partecipazione alla serie TV Provaci ancora prof! (2005) e alla sit-com satirica Boris (2007). Nel 2009 è al cinema con le commedie Generazione 1000 euro di Massimo Venier e Oggi sposi di Luca Lucini, ma è anche l'anno in cui vince il premio Giuseppe De Santis come migliore attrice emergente del 2009. L'anno seguente Ferzan Özpetek la scrittura in un piccolo ruolo per Mine vaganti (2010) e la Crescentini, ormai affermata a pieno nel panorama cinematografico italiano, inizia a vedere sempre più spesso riconosciuto il suo valore, tanto che nel 2011 riceve ben due riconoscimenti: un Nastro d'argento per 20 sigarette (2010) e un altro per Boris - Il film (2011), per il quale viene premiata anche con un Ciak d'oro.
L'anno successivo è candidata al Globo d'oro per la sua interpretazione ne L'industriale (2011), dove recita accanto a Pierfrancesco Favino come sua moglie, e prende parte a Una famiglia perfetta, film di Paolo Genovese con protagonista Sergio Castellitto. Ferzan Özpetek la sceglie una seconda volta per Allacciate le cinture (2014), la pellicola drammatica che vede il personaggio di Francesco Arca apparentemente diviso tra la stessa Crescentini e Kasia Smutniak. L'attrice romana condividerà nuovamente il set con la collega polacca in Meraviglioso Boccaccio (2015), pellicola basata sul Decameron, in particolare su cinque delle sue novelle, di cui la Crescentini interpreterà il personaggio della giovane suora Isabetta.
Il 2017 la Crescentini è al cinema con una doppietta di commedie: la prima, Beata ignoranza, la vede affiancare sul set Marco Giallini e Alessandro Gassman; la seconda, La verità vi spiego sull'amore, con protagonisti anche Ambra Angiolini e Massimo Poggio. Il 2018 inizia con i migliori auspici per la Crescentini, che nel mese di febbraio è al cinema sia con Sconnessi, commedia satirica con Fabrizio Bentivoglio, Ricky Memphis e Stefano Fresi, che con A casa tutti bene, dove Gabriele Muccino ha riunito molti degli attori italiani del momento per una commedia drammatica sulle sotto-trame di una grande famiglia.