Durch die Rolle der ‘Lara‘ in der Vorabendserie ‘Verbotene Liebe‘ wurde sie einem größeren Publikum bekannt. Die Figur spielte sie von 2000 bis 2002. Gleichzeitig war sie ab dem Jahr 2001 im Kölner ‘Tatort‘ zu sehen. Hier beobachteten die Zuschauer sie in der Rolle der ‘Melanie‘. Sie spielte die Tochter von Kommissar ‘Freddy Schenk‘, der von Dietmar Bär gemimt wurde. Ihre erste ‘Tatort‘-Folge hatte den Titel ‘Bestien‘. Seither wirkte sie in vielen weiteren ‘Tatort‘-Produktionen mit. So war sie 2013 in ‘Kalter Engel‘ zu sehen. In der Verfilmung des Märchens ‘Das tapfere Schneiderlein‘ aus dem Jahr 2008 verkörperte Karoline Schuch die Prinzessin ‘Paula‘.

Im Jahr darauf war sie in Til Schweigers erfolgreicher Kinokomödie ‘Zweiohrküken‘ (2009) als ‘Lena‘ vertreten. In ‘Zeiten ändern sich‘ (2010), einer filmischen Biographie des deutschen Rappers ‘Bushido‘, übernahm Karoline Schuch die Rolle der ‘Selina‘. 2011 war sie in ‘Puppe, Icke & der Dicke‘ von Regisseur Felix Stenz zu sehen. Außerdem stand sie für ‘Mia und der Minotaurus‘ von Florian Schell und in ‘Mann tut was Mann kann‘ von Marc Rothemund vor der Kamera. Im deutschen Action-Thriller ‘Schutzengel‘, der wieder unter der Regie von Til Schweiger gedreht wurde, spielte sie im Jahr 2012 die Rolle der Staatsanwältin ‘Sara Lilly Müller‘. Positive Kritik erntete Karoline Schuch für ihre erste große Hauptrolle in dem deutsch-israelischen Kinofilm ‘Hannas Reise‘. Diese romantische Komödie, die im Jahr 2013 unter der Regie von Julia von Heinz entstand, thematisiert den Holocaust sowie die Begegnung mit behinderten Menschen.

Im Jahr 2015 wirkte sie in Hape Kerkelings Bestseller ‘Ich bin dann mal weg‘ mit. Neben Martina Gedeck und Devid Striesow übernimmt sie hier ebenfalls eine tragende Rolle. Die schauspielerische Leistung von Karoline Schuch wurde bereits mit vielen Auszeichnungen und Nominierungen gewürdigt. Bereits im Jahr 2004 wurde die Schauspielerin für den ‘Günter Strack-Fernsehpreis‘ nominiert. Im Jahr 2008 gewann sie diesen schließlich als ‘Beste Nachwuchsschauspielerin‘. Ebenfalls im Jahr 2008 und im Jahr 2009 gewann der Film ‘Weltstadt‘ einige Preise. In dieser Produktion spielte Karoline Schuch die Hauptrolle. Zu den Preisen zählen der ‘Special Prize of the Jury of the European Debut Film‘ beim ‘49. Internationalen Filmfestival‘ in Zlin in Tschechien sowie der Preis als ‘Bester Erstlingsfilm‘ beim ‘Montreal World Filmfestival‘. Beim ‘Achtung Berlin Festival‘ gewann der Film zudem Preise in den Kategorien ‘Bester Film‘ und ‘Bester Schnitt‘.