Caroline Lhuillier Combal se forme à la danse au conservatoire d'Avignon. Elle rejoint en 1995 le corps de ballet du Ballet de Nancy, avant que Richard Wherlock ne l'invite en 1999 à le suivre comme soliste à la Komische Oper de Berlin, puis en 2001 lorsqu'il prend la direction du Basel Ballet.

En 2004, elle intègre le Ballet de l'Opéra de Lyon. Soliste et soliste principale, elle danse sur les plus grandes scènes du monde, aussi bien dans les grands ballets classiques — « Giselle », « Le Lac des cygnes », « Casse-Noisette », « Roméo et Juliette », « La Sylphide » — que dans les répertoires de George Balanchine et dans les écritures contemporaines de Jiří Kylián, Mats Ek, William Forsythe, Maguy Marin, Angelin Preljocaj, Philippe Decouflé, Roland Petit, Antonio Gades ou Martin Müller.

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En 2000, à Berlin, elle est distinguée comme meilleure danseuse pour son rôle dans « Stetl » de Richard Wherlock, dont elle remonte par ailleurs les ballets, notamment pour le Ballet contemporain de Buenos Aires. En 2003, elle obtient le premier rôle féminin dans le court-métrage « One Bullet Left » du réalisateur allemand Markus Fischer, primé aux festivals de Venise et de New York et diffusé sur Arte.

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Cette expérience la conduit à se former au jeu d'acteur auprès de Cécile Auxière-Marmouget, au sein de la compagnie professionnelle de théâtre Gazoline à Valence.

De 2007 à 2017, elle joue dans plusieurs pièces classiques et contemporaines — Feydeau, Marivaux, Marion Aubert, Mark Ravenhill...  et l'assiste sur plusieurs mises en scène.

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En 2008, elle fonde la Cie8, qu'elle dirige depuis. Elle y produit notamment « Jeu d'Ego », danse-théâtre d'après « Belle du Seigneur » d'Albert Cohen pour un comédien et une danseuse, et « La Veste », pièce chorégraphique pour deux danseurs créée avec Olé Khamchanla. En 2011, la compagnie hip-hop A'Corps lui confie la direction artistique de « ACMÉ », présentée au Théâtre de la Villette à Paris.

En 2020, elle co-écrit « #ELP », création danse-théâtre sur le harcèlement scolaire, le cyber-harcèlement et l'influence des réseaux sociaux — l'un des axes qui définissent aujourd'hui son travail : des œuvres qui confrontent la scène aux problématiques sociales.

Parallèlement, Caroline crée l'ART8 pour concevoir des spectacles sur mesure autour des enjeux des entreprises et de leurs problématiques, une expérience qui l'épanouit dans l'écriture et la mise en scène de sujets de société. Très investie dans l'éducation artistique et culturelle, elle mène des projets avec des collégiens et des lycéens pour développer la confiance en soi et l'éloquence — dont le projet Mission Opéra mené chaque année avec la soprano Caroline Macphie et quatre lycées professionnels de Valence — et intervient auprès de personnes en situation de handicap psychique dans des formations en communication et en gestion du stress et des émotions. 

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En 2026, elle transmet également son expérience en assurant des cours de pédagogie du théâtre auprès des étudiants de troisième année de Licence à la MACI de l'Université Grenoble Alpes.​