Caroline Melzer Rudolf Piernay és Vera Scherr növendékeként éneket, Ulrich Eisenlohrtól és Irwin Gage-től interpretációt tanult. 2007-2010 között a berlini Komische Oper tagja, ahol többek között énekelte a grófnőt (Figaro házassága), Donna Elvirát (Don Giovanni), Fiordiligit, Mimìt, Armidát, Cordeliát (Lear), Lisát (A pikk dáma) és Leonórát (Fidelio). Vendégként fellépett a Ruhrtriennalén és a berlini Deutsche Staatsoperben is. 2010 óta a bécsi Volksoper tagja: itt Ruszalka, Marie (Az eladott menyasszony), Micaela, Liu, Donna Elvira, Jaroszlavna (Igor herceg) és a Víg özvegy címszerepe várta. Németország, Ausztria, Spanyolország, Belgium és Svájc koncertpódiumain sikeres dalesteket adott. Pályáján meghatározó a kortárs zenével való foglalkozás: Aribert Reimann neki írta a Rilke-töredékek ciklusát, illetve a Der Blick war's, der mich ins Verderben riss című művét, illetve olyan együttesekkel dolgozott együtt, mint a musikFabrik és az Ensemble Intercontemporain. Előadóként számos világpremier fűződik a nevéhez. Koncerténekesként fellépett a Rheingau Musik Festival, az UltraSchall Festival Berlin, a Mozartfest Würzburg, a Herbstlichen Musiktagen Bad Ulrach és a Gustav Mahler Musikwochen Toblach vendégeként. Olyan kiváló karmesterekkel dolgozott, mint Helmuth Rilling, Patrick Lange, Konrad Junghänel, Peter Rundel, Christoph Poppen, Alfred Eschwé, Jac van Steen, Frieder Bernius, Francois-Xavier Roth és Michael Sanderling, akik a Berlini Filharmonikusok, a Berlin Konzerthaus, a Vienna Konzerthaus, a Laeizshalle Hamburg, a Tonhalle Zürich, a deSingel ArtCenter Antwerp és a Liederhalle Stuttgart előtt vezényelték. Caroline Melzer nevéhez számos CD- és rádiófelvétel, továbbá élő közvetítések kötődnek.
