Seit dem Alter von neun Jahren wollte Karine Vanasse Sängerin und Schauspielerin werden. Erste Erfahrungen sammelte sie bei Auftritten in Fernsehwerbungen. Von 1998 bis 2001 co-moderierte sie Les Débrouillards, eine Fernsehshow für Kinder. Regisseurin Léa Pool entdeckte sie dabei und besetzte mit ihr die Hauptrolle der Hanna in Emporte-moi – Nimm mich mit (1999). Der Jugendfilm wurde international bei verschiedenen Festivals mit Preisen gewürdigt. Im Frühjahr 2001 verbrachte Vanasse sechs Monate in Griechenland. Im Theater stand sie im Musical Irma, la douce (2002–2003) auf der Bühne. Unter der Regie von Charles Binamé verkörperte sie die Hauptrolle der Donalda in Séraphin: un homme et son péché (2002). Das Liebesdrama mit Pierre Lebeau und Roy Dupuis erhielt verschiedene Auszeichnungen und war an den kanadischen Kinokassen erfolgreich. Im Film Head in the Clouds (2004) war Vanasse mit Charlize Theron und Penélope Cruz zu sehen.
Bei der Fernsehserie Un homme mort (2006) trat sie auch als Co-Produzentin auf. 2009 produzierte sie Denis Villeneuves Drama Polytechnique, in dem sie auch eine der Hauptrollen spielte.
