Elle naît le 28 mai 1971 dans le 12e arrondissement de Paris d'un père styliste réputé et d'une mère secrétaire puis passe son enfance dans le 7e arrondissement de Paris avec ses deux frères.

Elle quitte ses parents à l’âge de 15 ans à cause de leur mauvaise entente pour vivre seule et rêve d’une carrière de danseuse, mais y renonce rapidement pour se réorienter vers la comédie. Elle suit de nombreux cours d'art dramatique au Centre Américain, au cours Florent et au Studio Pygmalion, tout en suivant sa scolarité au lycée Victor-Duruy. Elle voue une admiration sans limite à Romy Schneider et joue ses premiers petits rôles au cinéma dans le film Romuald et Juliette de Coline Serreau en 1988.

En 1992, elle décroche son premier grand rôle au cinéma dans le film Beau fixe de Christian Vincent pour lequel elle est nommée au César du meilleur espoir féminin. Elle enchaîne dans le film à grand succès Le Hussard sur le toit de Jean-Paul Rappeneau, pour lequel elle est encore nommée au César du meilleur espoir féminin, puis dans Beaumarchais l'insolent en 1995 d’Édouard Molinaro. En 1997, elle réalise une exceptionnelle performance d'actrice dans La Femme défendue de Philippe Harel où elle est filmée sous tous les angles et occupe l'écran en gros plan durant tout le film. Cette prestation lui vaut le Prix Romy Schneider (espoir du cinéma français) et une troisième nomination au César du meilleur espoir féminin. Elle remporte la même année le prestigieux Prix Gérard Philipe.

En 2000, Clément Sibony charme Isabelle Carré dans L'Envol (2000), puis joue le jeune étudiant en médecine fou amoureux d'une Audrey Tautou érotomane dans À la folie, pas du tout, succès de la jeune réalisatrice bordelaise Lætitia Colombani, dans lequel Isabelle Carré joue la compagne avocate de Samuel Le Bihan. Les deux acteurs seront en couple pendant 3 ans après cette rencontre. En 2003, elle reçoit le César de la meilleure actrice pour le film Se souvenir des belles choses de Zabou Breitman, où elle joue le rôle d’une jeune femme atteinte de la maladie d'Alzheimer. En 2004, elle remporte le Molière de la meilleure comédienne pour son rôle dans la pièce de Roland Topor L'hiver sous la table extraordinairement mise en scène par Zabou Breitman.

En 2006, elle est nommée pour le César de la meilleure actrice pour le film Entre ses mains de Anne Fontaine, où elle joue aux côtés de Benoît Poelvoorde. Elle joue également de nouveau au théâtre dans Blanc d'Emmanuelle Marie sous la direction de Zabou Breitman, aux côtés de Léa Drucker qui interprète sa s½ur au milieu d'une scène du Théâtre de la Madeleine transformée en un champ de blé entourant une maison campagnarde grâce au décor transcendant de Jean-Marc Stehlé, et baigné de la musique d'une violoncelliste scandant le récit en contrepoint...

En 2007, elle joue dans "Anna M.", réalisé par Michel Spinosa avec Gilbert Melki et Anne Consigny. Le film révèle un côté plus sombre. Après À la folie, pas du tout, c'est la deuxième fois qu'elle joue dans un film qui traite le sujet de l'érotomanie. Isabelle Carré est une des marraines de l'association humanitaire La Chaîne de l'Espoir, et en compagnie de François Cluzet, de l'association VLM (Vaincre la Mucoviscidose).