Née à Oakland en Californie, de parents d’origine finlandaise, Carolyn Carlson étudie la danse classique au San Francisco Ballet ainsi que la philosophie et le théâtre à l’université de l’Utah. Engagée en 1965 au Nikolaïs Dance Theatre, elle participe pendant sept ans aux recherches expérimentales d’Alwin Nikolaïs tout en initiant son propre travail chorégraphique. En 1968, elle remporte le titre d’Étoile d’Or de la meilleure danseuse au 6e Festival International de Danse de Paris. Elle s’installe en France en 1971 et présente l’année suivante, au Festival d’Avignon, Rituel pour un rêve mort qui remporte un vif succès. Nommée Étoile-chorégraphe par Rolf Liebermann en 1974, elle dirige le Groupe de recherches théâtrales de l'Opéra national de Paris (GRTOP) jusqu’en 1980, avec lequel elle crée plusieurs œuvres comme Density 21,5 (1973), Il y a juste un instant, Sablier Prison (1974), Wind, Water, Sand (1976), This, That and the Other (1977), Writings in the Wall (performance filmée, 1979) et Slow, Heavy and Blue (1980). Pour la Compagnie, elle créé ensuite Don't Look Back (1994) et Signes en étroite collaboration avec le peintre Olivier Debré (1997). En 1999, Carolyn Carlson fonde l'Atelier de Paris sur le site de la Cartoucherie, qui devient rapidement un lieu de référence en matière de formation professionnelle et dont elle est aujourd'hui présidente d'honneur. En 2004, elle est nommée à la direction du Centre Chorégraphique National de Roubaix Nord - Pas de Calais, fonction qu’elle assume jusqu’en 2013. La Carolyn Carlson Company, en résidence au Théâtre National de Chaillot de 2015 à 2017, produit et diffuse ses spectacles à travers le monde.