Carrie-Anne è ancora molto piccola quando decide di dedicarsi alla recitazione: a 11 anni inizia a lavorare in una compagnia teatrale per giovani attori. Durante la scuola entra alla American Academy of Dramatic Arts di Pasadena. All'età di 20 anni intraprende la carriera di modella, viaggia per l'Europa, appare in numerose copertine di riviste internazionali. Una volta in Spagna ottiene un ruolo fisso nella serie televisiva "Dark Justice" (1991) e, tornata in America, viene ingaggiata per la serie TV prodotta da Aaron Spelling "Model Inc." (1994). Debutta nel mondo del cinema con alcune partecipazioni poco rilevanti, fino alla svolta di "Matrix"(1999) in cui ottiene uno dei ruoli principali.
Dopo il successo del fantascientifico "Matrix", Carrie- Anne diventa molto richiesta: l'anno successivo recita in "Chocolat", "Pianeta rosso" e "I soliti amici".
Con "Memento" l'attrice riceve l'Independent Spirit Award come migliore attrice non protagonista. Il successo di Matrix si ripete con "Matrix Revolution" (2003) e "Matrix Reloaded" (2003) in cui Carrie -Anne viene confermata nel ruolo di Trinity accanto a Keanu Reeves.
Ha fatto parte del cast di "Suspect Zero" (2004) diretto da E. Elias Merhige ed ha lavorato accanto a Tom Cruise nel sequel "Mission Impossible 3". Inoltre è una delle protagoniste del thriller "Disturbia" (2007) e l'horror comedy "Fido" (2007).
E' nel cast del film drammatico "Fireflies in the Garden" (2008) presentato al 58mo Festival di Berlino.