Керол Бернетт народилася в Сан-Антоніо. Пізніше її сім'я переїхала до Каліфорнії, де Керол ходила до школи, а після її закінчення вивчала спочатку журналістику, а потім театральне мистецтво і музичну комедію в Каліфорнійському університеті Лос-Анджелеса.
Починала свою акторську кар'єру з виступів у нічних клубах Нью-Йорку, після чого дебютувала на телебаченні. Перший успіх до Бернетт прийшов 1959 року в мюзиклі «Одного разу на матраці», за який вона була номінована на премію «Тоні». Того ж року вона ввійшла до складу «Шоу Гаррі Мура» і, створивши кілька персонажів, завоювала першу премію «Еммі». Завдяки цьому успіху 1962 року Бернетт з'явилася у спеціальному випуску «Джулі і Керол» в Карнеґі-хол разом зі своєю подругою Джулією Ендрюс. За цей виступ Бернетт знов отримала «Еммі».
У вересні 1967 року стартувало музично-комедійне «Шоу Керол Бернетт», яке було надзвичайно популярним і транслювалося до 1978 року. «Шоу Керол Бернетт» завоювало 23 премії «Еммі», отримуючи перемоги або номінації на премії «Еммі» та «Золотий глобус» кожного сезону.
Одночасно з виступами в шоу Керол Бернетт знялася у кількох фільмах та телефільмах. Також час від часу з'являлася на театральній сцені.
В 1980-х й 1990-х роках пробувала запускати нові естрадні програми, знімалася у телефільмах, знов отримавши кілька кінонагород. В останні роки з'являлася на екранах у серіалах у якості запрошеної зірки.