Caroline Stein wurde in Königstein/Taunus geboren und studierte Gesang bei Prof. Claudio Nicolai an der Kölner Musikhochschule. Erste Engagements führten die lyrische Koloratursopranistin an das Mainfranken-Theater Würzburg und das Hessische Staatstheater Wiesbaden, dann an die Niedersächsische Staatsoper Hannover, deren Ensemble sie von 1991-1999 angehörte.
Sie sang die großen Partien ihre Fachs, darunter Königin der Nacht in Die Zauberflöte, Zerbinetta in Ariadne auf Naxos, Susanna in Le nozze di Figaro und Konstanze in Die Entführung aus dem Serail. Für ihre herausragende Interpretation der Venus/Gepopo in Ligetis Le Grand Macabre wurde sie von der Zeitschrift Opernwelt zur Sängerin des Jahres nominiert und gastierte mit dieser Rolle u.a. beim BBC Symphony Orchestra in London und der San Francisco Opera .
An der Staatsoper Berlin war sie für Neuproduktionen unter der musikalischen Leitung von Michael Boder und Philippe Jordan verpflichtet, weitere Gastproduktionen führten sie an das Theatre de la Monnaie in Brüssel, die Semperoper Dresden, das Royal Opera House Covent Garden, die Opéra National de Paris und an das Teatro Real Madrid.
Bei den Bayreuther Festspielen debütierte Caroline Stein 1999 als Blumenmädchen in Parsifal unter dem Dirigat von Giuseppe Sinopoli und sang diese Partie in den Folgejahren unter Christoph Eschenbach und Christian Thielemann.2002 bis 2004 war sie in Jürgen Flimms Ring-Inszenierung als Woglinde in Rheingold und Götterdämmerung unter dem Dirigat von Adam Fischer zu erleben.
An der Opera Bastille sang sie diese Partie in Günter Krämers Neuinszenierung von Wagners Ring unter der Leitung von Philippe Jordan.
Als Konzert- und Oratoriensängerin verfügt Caroline Stein über ein großes Repertoire. Sie sang u.a. mit der Akademie für Alte Musik Berlin die Bellezza in Händels Il trionfo del tempo e del disinganno, unter der musikalischen Leitung von Peter Eötvös war sie mit Zimmermanns Requiem und mit den Berliner Philharmonikern unter Sir Simon Rattle in Aufführungen von Ligetis Mysteries of the Macabre bei den Salzburger Festspielen und dem Lucerne Festival zu hören. Mit der renommierten Pianistin Karola Theill gestaltet Caroline Stein Liederabende mit wechselnden Programmen. Für den WDR entstanden zahlreiche Operetten-Einspielungen mit Werken von Jacques Offenbach und Oscar Straus, mit dem RIAS Kammerchor spielte Caroline Stein eine CD mit Werken von Ernst Krenek ein.
Caroline Stein arbeitete mit renommierten Dirigenten, darunter Michael Boder, Marcus Creed, Sir Colin Davis, Christoph Eschenbach, Peter Eötvös, Hartmut Haenchen, Philippe Jordan, Jonathan Nott, Sir Simon Rattle, Esa-Pekka Salonen, Giuseppe Sinopoli, Markus Stenz und Christian Thielemann.
Mit Claudio Abbado verband sie eine intensive Zusammenarbeit. Unter seiner Leitung war sie mit den Berliner Philharmonikern als Blumenmädchen in Berlin, Salzburg und Edinburgh zu erleben, sang das Gretchen in Schumanns Szenen aus Goethes Faust bei den Osterfestspielen Salzburg und unternahm eine Europatournée als 1. Dame in Die Zauberflöte mit dem Mahler Chamber Orchestra. Eine CD-Aufnahme dieser Produktion ist bei der Deutschen Grammophon erschienen.
Seit 2007 arbeitete Caroline Stein intensiv mit der Choreographin und Regisseurin Sasha Waltz zusammen, deren Inszenierung von Pascal Dusapins Oper Medeamaterial in Berlin, sowie beim Hollandfestival, dem Melbourne International Festival, am Pariser Théâtre des Champs-Elysées, dem Théâtre de la Monnaie in Brüssel und am Théâtre du Capitole in Toulouse gezeigt wurde.
Von 2012-2014 war Caroline Stein Professorin an der Musikhochschule Lübeck.
