Comenzó su carrera profesional en los escenarios a los diecisiete años con Taormina Teatro, compañía con la que actuó durante trece temporadas. En cine debutó en la película de Chema de la Peña Shacky Carmine (1999), producida por Beatriz de la Gándara y Fernando Colomo.

En el año 2000, Luis San Narciso le ofreció dar vida al personaje de Aída García para la serie de 7 vidas. El éxito fue tal que, en 2005, Telecinco hizo un spin-off sobre su personaje, Aída, que estuvo nueve años en antena y se convirtió en la serie más vista de España con capítulos vistos por seis millones de espectadores.

Al mismo tiempo, continúa su carrera en el cine con directores como Joaquín Oristrell (Sin vergüenza, 2001), Pedro Almodóvar (Hable con ella, 2002; Los abrazos rotos, 2009, y Los amantes pasajeros, 2013) o Manuel Gutiérrez Aragón (El caballero Don Quijote, 2002).

Su primer protagonista en el cine vino dado por el director y guionista Javier Rebollo en La mujer sin piano (2009), al que siguieron, además de otros títulos, Pájaros de papel (2010), de Emilio Aragón; Que se mueran los feos (2010) de Nacho G. Velilla; Murieron por encima de sus posibilidades (2014), de Isaki Lacuesta; y Kamikaze (2014), de Álex Pina. Ese año llega su gran éxito comercial en la gran pantalla, Ocho apellidos vascos, de Emilio Martínez-Lázaro, por la que obtuvo el Goya a la mejor actriz de reparto.

Tras este éxito su carrera se dispara y rueda hasta cinco películas por año, con títulos en 2015 como Perdiendo el norte, de nuevo con Nacho G. Velilla; Ocho apellidos catalanes, en la que también repite con Martínez-Lázaro; Requisitos para ser una persona normal, de Leticia Dolera; Mi gran noche, de Álex de la Iglesia; y en El tiempo de los monstruos, de Félix Sabroso. Más tarde intervino, entre otras, en La puerta abierta (2016) de Marina Seresesky, y formó parte del reparto de Las furias (2016), de Miguel del Arco.

En la última década, algunas de las películas en las que ha intervenido son El bar (2017), colaborando de nuevo con Álex de la Iglesia; Pieles (2017), de Eduardo Casanova; y Thi Mai, rumbo a Vietnam (2017), de Patricia Ferreira. Al año siguiente trabajó por primera vez con Fernando Colomo en La tribu, y participó en la serie Arde Madrid, de Paco León. Tras Perdiendo el este, de Paco Caballero, entre otras producciones, en 2020 fue dirigida por Isabel Coixet en Nieva en Benidorm, estrenó Un efecto óptico, de Juan Cavestany y El Cover, de Secun de la Rosa.

En estos años, en teatro protagonizó títulos como La tortuga de Darwin, Los Mácbez, Juicio a una zorra, o La autora de Las Meninas.

Durante 2022, Carmen estrena las películas La voluntaria, de Nely Reguera, y Cerdita, de Carlota Pereda. Entre sus series más recientes destacan La mesías, de Javier Calvo y Javier Ambrossi; Celeste, de Diego San José; Verano en diciembre, de Carolina África y Furia, de Félix Sabroso. La película La viuda negra ha sido una de sus últimas películas estrenadas.