De ascendencia ruso-polaca, Carroll Baker destacó en la década de los cincuenta, llegando a ser nominada al premio Óscar, pero su carrera entró muy pronto en decadencia. Llegó a ser considerada un símbolo sexual, pero posteriormente, solo participó en papeles secundarios, en algunos filmes europeos y en México.
Estudió danza y se unió a un grupo de baile a principios de los 1950. También trabajó como acompañante de un mago antes de dar el salto al cine con la película de Charles WaltersEasy to Love (1953).
Un año después del estreno del citado film, Carroll se trasladó a Nueva York para matricularse en el famoso Actors Studio. Allí conoció al director y guionista Jack Garfein, con quien contrajo matrimonio en 1955.
Después de trabajar brevemente en el teatro de Broadway, consiguió aparecer en dos títulos de impacto, Gigante, de 1956, película de George Stevens, en la que interpretó a la hija de Elizabeth Taylor y Rock Hudson y sobre todo, Baby Doll del año 1956 de Elia Kazan. Gracias a esta película coprotagonizada por Karl Malden, se convirtió en estrella y fue nominada al Óscar.
La prometedora carrera de Baker se estancó con el transcurso de los años en películas y papeles de escasa calidad.
En 1969 se divorció de Jack Garfein, con quien tuvo a sus hijos Blanche y Herschel, en los años 1970 y 1980 actuó principalmente en películas europeas. En 1982 se casó con el actor Donald Burton, quien moriría en 2007 en su casa de California.