Als student werd ze ontdekt door castingdirecter Hans Kemna die haar in 1997 een rol bezorgde in de VPRO serie Labyrint. Haar inzet werd in 1999 beloond met een Pisuisse Prijs voor de meest veelbelovende eindexamenleerling.

Voor haar theaterwerk kreeg ze in 2000 de Top Naeff Prijs. Datzelfde jaar mag ze haar eerste Gouden Kalf in ontvangst nemen voor haar rol in de tv-film Suzy Q. Daar speelt Carice een verwarde tiener die met Mick Jagger zoent. 

Regisseur Martin Koolhoven van Suzy Q deed opnieuw een beroep op de talentvolle Van Houten voor zijn film Amnesia in 2001.

Ook op het toneel was de Nederlandse actrice een graag geziene verschijning. In 2000 sloot ze zich aan bij het Noord-Nederlands Toneel en speelde ze de sterren van de hemel als Polly in de Driestuiversopera van Bertolt Brecht. Ook waren er lovende recensies voor haar optreden als blind meisje in de parodie op City Lights.

De veelzijdige van Houten maakte ook deel uit van de cast van de musical Foxtrot in 2001-2002. Eigenlijk heeft ze een hekel aan musicals, maar ze kiest er toch voor vanwege Annie M.G.Schmidt en haar liefde voor zingen.

Een tweede Gouden Kalf ontving Carice voor haar hoofdrol in de jeugdfilm Minoes, 2001. waaraan ze haar grote bekendheid in Nederland te danken heeft. Dat ook dit genre haar goed ligt is te zien in de jeugdfilms Lepel en Knetter. Beide kwamen uit in 2005.

In 2003 speelde de actrice een hoofdrol als Monika in een verfilming van De Passievrucht, naar een boek van Karel Glaastra van Loon.

In 2003 ontving de actrice de Colombina (een award voor de meest indrukwekkende vrouwelijke, ondersteunende acteursrol) voor haar optreden als Macha in Een Meeuw van Tsjechov bij De Theatercompagnie.

In 2006 speelt Carice van Houten in Zwartboek van regisseur Paul Verhoeven. Ze schittert als de joodse zangeres Rachel Steinn die in de Tweede Wereldoorlog als dubbelspion voor het verzet bij de Duitsers infiltreert en wordt verraden. De film gaat in het najaar van 2006 in première en wordt uitgeroepen tot de meest succesvolle Nederlandse film ooit. Voor haar rol in Zwartboek ontvangt Carice haar derde Gouden Kalf voor Beste Actrice.

Zwartboek betekende voor van Houten het begin van een veelbelovende internationale carrière. In 2007 vonden de opnamen plaats van vier Engelstalige producties, die in 2008 en 2009 in première gaan.

In de Iers/Franse productie Dorothy Mills speelt zij de hoofdrol.

Daarnaast is ze te zien in het door Bryan Singer geregisseerde Valkyrie. Daar speelt ze de vrouw van Tom Cruise.

Samen met Jude Law en Oscarwinnaar Forest Whitaker is Carice te zien in Repossession Mambo, een science fiction thriller over illegale donorhandel.

Op maandag 8 oktober 2007 vond in Amsterdam de première plaats van Alles is Liefde, dé romantische komedie van 2007. Twee maanden later, op vrijdag 7 december 2007, nam Carice van Houten samen met Michiel Romeyn en regisseur Joram Lürsen, een Diamanten Film in ontvangst voor 1 miljoen bezoekers van Alles is Liefde.

Voor haar rol in Alles is Liefde nam Carice in maart 2008 een Rembrandt Award in ontvangst.

In december 2007 vloog Carice naar New York. Topfotograaf Wayne Maser maakte daar een reportage van haar voor de speciale Hollywood-editie (maart 2008) van de Amerikaanse glossy Vanity Fair. In januari 2008 riep New York Magazine Carice van Houten uit tot Vrouw van het Jaar.

Van 1 maart tot en met 28 juni 2008 was Carice, naast Pierre Bokma, te zien in de titelrol in het theaterstuk De Gravin van Parma, geregisseerd door Ursul de Geer. De première vond plaats op zaterdag 1 maart 2008 in de Koninklijke Schouwburg in Den Haag.

In april 2008 speelt ze samen met o.a. Aart Staartjes, Frank Lammers en Gaite Jansen in de niet-commerciële film Zingen in het Donker, een kort drama over huiselijk geweld.

In oktober en november 2008 vonden de opnames plaats van From Time To Time, een Britse kostuumfilm van regisseur/schrijver Julian Fellowes. Hierin speelt Carice de rol van de 19^e eeuwse vrouw Maria Oldknow. Haar tegenspelers zijn o.a. Maggie Smith en Timothy Spall.

Privé

Van Houten heeft sinds 2006 een relatie met de Duitse acteur Sebastiaan Koch, haar tegenspeler in de film Zwartboek. Ze is de zus van actrice Jelka van Houten.

Haar beste vriendin is Halina Reijn, waarmee ze ook samen in Valkyrie speelt.