Fille de diplomate, Caroline Vignal passe son enfance en Afrique du Nord avant d'obtenir son baccalauréat en Tunisie en 1989, puis une licence de lettres modernes à la Sorbonne. Sa découverte du Rayon vert d'Éric Rohmer en 1986 est déterminante dans sa vocation de cinéaste, et elle intègre la Femis, dont elle sort diplômée en 1997 dans le département scénario, son film de fin d'études devenant le scénario de son premier long métrage, Les Autres Filles. Ce récit initiatique autour d'une adolescente cherchant à s'extraire d'un cadre familial en pleine déliquescence est sélectionné à la Semaine de la critique du Festival de Cannes en 2000, mais peine à trouver son public. Entre 2002 et 2010, elle se consacre à l'écriture pour le théâtre et pour France Culture, avant d'enchaîner plusieurs scénarios pour la télévision, sans repasser à la réalisation pendant près de vingt ans. C'est finalement en 2020 qu'elle revient derrière la caméra avec Antoinette dans les Cévennes, comédie inspirée du Voyage avec un âne dans les Cévennes de Robert Louis Stevenson, portée par Laure Calamy dans le rôle d'une institutrice partant sur les traces de son amant en compagnie d'un âne. Le film rencontre un immense succès critique et public, réunissant plus de 700 000 spectateurs, et lui ouvre la voie à un second succès, Iris et les hommes, comédie sur le désir conjugal toujours portée par Laure Calamy.
La découverte du Rayon vert d'Éric Rohmer à l'adolescence constitue la matrice esthétique et thématique de tout le cinéma de Caroline Vignal, qu'elle revendique explicitement comme influence directe d'Antoinette dans les Cévennes, jusque dans la construction de son personnage principal, une femme égarée en été qui finit par trouver la lumière. Sa lecture du récit de voyage de Robert Louis Stevenson, qu'elle transpose et actualise en donnant à son héros animal le prénom du propre âne ayant accompagné sa famille durant son enfance, nourrit également directement l'écriture de son film le plus connu. Son parcours personnel, marqué par une longue traversée du désert entre ses deux longs métrages, infuse ses récits d'un regard tendre et sans complaisance sur les femmes en quête de reconstruction.
Caroline Vignal privilégie une mise en scène légère et lumineuse, portée par une écriture fine des dialogues et une direction d'acteurs attentive, qu'elle avoue avoir dû apprivoiser faute d'expérience préalable avec des comédiens professionnels. Son cinéma mêle avec équilibre la comédie et une forme de mélancolie existentielle, souvent qualifiée de comédie existentielle par la critique, où le rire n'exclut jamais l'émotion. Elle privilégie les décors naturels et la lumière estivale, en résonance directe avec l'influence rohmérienne qui structure son regard sur les paysages et les corps.
Les Autres Filles est sélectionné en compétition pour le Grand Prix de la Semaine de la critique au Festival de Cannes en 2000. Antoinette dans les Cévennes obtient le label Sélection officielle du Festival de Cannes 2020, non tenu pour raisons sanitaires, avant de décrocher deux nominations aux César 2021, dont celle du meilleur film, tandis que son actrice Laure Calamy y remporte le César de la meilleure actrice.
Laure Calamy constitue la collaboratrice la plus marquante de sa carrière récente, l'actrice ayant incarné les héroïnes de ses deux dernières comédies, Antoinette dans les Cévennes et Iris et les hommes. Elle avait auparavant dirigé le comédien Bernard Menez, déjà présent dans un de ses courts métrages, sur Les Autres Filles. Sur Antoinette dans les Cévennes, elle retrouve également l'acteur Benjamin Lavernhe et la comédienne Olivia Côte.
La quête existentielle féminine, souvent déclenchée par une désillusion amoureuse, structure l'ensemble de son œuvre, des Autres Filles à Iris et les hommes. Le désir et la sexualité des femmes, abordés avec une liberté rare dans la comédie française, occupent une place centrale et assumée dans ses deux derniers longs métrages. La nature et le voyage comme espaces de reconstruction de soi, hérités de son admiration pour Rohmer, imprègnent enfin profondément Antoinette dans les Cévennes.