La soprano colorature allemande Caroline Stein naît à Königstein. Enfant, elle apprend le piano et fait du ballet. Elle apprend le chant lyrique pendant cinq ans au Conservatoire de Cologne, à partir de 1983. Peu après sa formation, elle rejoint la troupe de l’Opéra d’État de Hesse à Wiesbaden pour un an en 1989. Elle fait ses débuts à l’Opéra allemand de Berlin en 1990 en Reine de la Nuit dans La Flûte enchantée de Mozart.

Elle rejoint ensuite la troupe de l’Opéra d’État de Hanovre de 1990 à 1999. Elle y chante de nombreux grands rôles de colorature, tels qu'Olympia dans les Contes d’Hoffmann (Offenbach) ou Rosina dans Le Barbier de Séville (Rossini). Elle fait des apparitions à l’Opéra de Québec en 1990 dans L’Enlèvement au Sérail de Mozart (Blonde) ou à Düsseldorf (Reine de la Nuit). En 1998, elle réalise une prestation très remarquée du double rôle de Venus et de la meneuse de la « Gepopo » pour la première allemande du Grand Macabre de Ligeti à Hanovre. Elle est depuis une habituée des œuvres contemporaines. D’autres débuts suivent : en 1999, elle joue une Fille-fleur dans Parsifal (Wagner) au Festival de Bayreuth. En 2001, elle chante Blonde dans L’Enlèvement au Sérail au Royal Opera House.

Parmi les œuvres contemporaines de son répertoire figurent Medeamaterial (rôle-titre) de Dusapin à Lausanne, Elégie pour jeunes amants (Hilda Mack) de Henze dirigé par Philippe Jordan à Berlin en 2004. Elle retrouve Le Grand Macabre (Venus/Gepopo) à San Francisco en 2004, puis se produit dans la création mondiale de Faustus, the Last Night (l’Ange) de Dusapin en 2006 à Berlin et Lear (Cordelia) de Reimann au Théâtre de Kassel en 2010. Elle retrouve Philippe Jordan la même année pour ses débuts à l’Opéra de Paris, dans un Ring où elle reprend le rôle de Woglinde, qu’elle chante également dans L’Or du Rhin, en 2011 dans Le Crépuscule des Dieux et en 2013 dans la reprise complète. Parallèlement, elle reprend le rôle-titre de Medeamaterial au Théâtre des Champs-Elysées en 2012. Elle tient un an plus tard la partie pour soprano de La Conquête du Mexique de Rihm au Théâtre royal de Madrid. Depuis, elle œuvre comme professeur de chant à la Musikhochschule Lübeck.