Le cinéma ne reste pas insensible à cette beauté à la fois timide et sensuelle. Elle débute devant les caméras de Jacques Poitrenaud, donnant la réplique à de grands noms du cinéma français, elle joue la fille de Michel Serrault dans « La tête du client » (1965) avec Francis Blanche, Sophie Desmarets et Jean Poiret. Puis s’intègre parfaitement dans l’univers des réalisateurs aussi talentueux que : Claude Lelouch qui l’entraîne dans son mélodrame « La Vie, l'amour, la mort » (1968), un père de famille (Amidou), assassin de prostituées, trouve l'amour fou auprès de Caroline (Caroline Cellier) mais son passé le rattrape dénoncé, il sera guillotiné ; puis Claude Chabrol lui confie un rôle angoissant dans le thriller « Que la bête meure » (1969) elle est la belle sœur de Jean Yanne un être haï de tous, vulgaire, abject et assassin du fils de Michel Duchaussoy, il exécute sa vengeance ; ou encore Edouard Molinaro dans le drame « Les aveux les plus doux, » (1970) elle vit une vie de bohême avec son petit ami (Marc Porel) qui se laisse entraîner dans un cambriolage qui tourne mal ; le même réalisateur signe une comédie populaire et distrayante « L'emmerdeur » (1973), Jacques Brel délaissé par son épouse (Caroline Cellier) est l’emmerdant personnage suicidaire qui perturbe Lino Ventura dans sa mission de tueur à gages .

Dans les années 80 Caroline Cellier va connaître la consécration. Ainsi en 1982, dans un drame judiciaire « Mille milliards de dollars » d’Henri Verneuil, elle tient le rôle de l‘épouse de Patrick Dewaere, un journaliste moralement torturé après le suicide d’un industriel qu’il avait accusé de corruption ; l’année 1984 lui est particulièrement favorable avec deux gros succès personnels et commerciales: on la retrouve au casting de deux films marquants de cette décennie « L'année des méduses », de Christopher Frank, Bernard Giraudeau incarne un play-boy à la plage de Saint Tropez qu'essaie de vamper Chriss, incarnée par l'explosive Valérie Kaprisky dépourvue de scrupules et de pudeurs mais il lui préfère sa mère, jouée par Caroline Cellier, qui remporte le César du Meilleur second rôle féminin en 1985, et le polar chabrolien « Poulet au vinaigre », dans une petite ville de province, l'inspecteur Lavardin (Jean Poiret) dénoue une affaire de meurtres liée à un projet immobilier, il découvre plusieurs victimes dont celui de Anna (Caroline Cellier) brûlée vive dans sa voiture avec au casting Stéphane Audran et Jean Topart les principaux protagonistes .

En 1987, Bernard Stora réuni Bernard Giraudeau et Caroline Cellier dans « Vent de panique » Roland et Martine, fantasque couple d'escrocs à la petite semaine se lie avec une jeune fille délurée Olivia Brunaux, le trio commence des arnaques en tous genres, et se révèle d'une redoutable efficacité. Elle glisse aisément dans la peau d’un fille de rue jouant Lilas une belle femme désabusée qui se livre à la prostitution dans « La Contre-allée » (1990) de Isabel Sebastian avec Jacqueline Maillan et Jacques Perrin.

Elle joue la femme blessée dans deux drames familiaux dont : « Charlie Dingo » (1987) de Gilles Béhat, Charlie, (Guy Marchand) marin nostalgique, harcèle son ex-femme pour renouer leur amour, mais Georgia (Caroline Cellier) est remariée avec William (Niels Arestrup), elle retrouve l’acteur dans « Délit mineur » (1994) de Francis Girod elle à un fils Guillaume qui déteste son père alcoolique et violent (Niels Arestrup), suite à une dispute elle tue son mari, pour la protéger son amant (Mathieu Crépeau) s'accuse du crime.

Elle joue ensuite sous la direction de Jean Poiret, son mari depuis 1989 (décédé en 1992) dans une comédie cocasse « Le Zèbre » (1992), Thierry Lhermite connu comme un drôle de zèbre cherche à ressusciter chez son épouse (Caroline Cellier) les émois sensuels et sentimentaux des débuts de leur liaison, on assiste à des situations loufoques.

Les années suivantes Caroline ralenti son activité, en 1999, elle fait un retour triomphale sur scène et décroche une nomination au Molière avec « Un tramway nommé Désir » de Tennessee Williams ; elle tourne encore avec Claude Lelouche dans « Hommes, femmes, mode d’emploi » (1994) avec Bernard Tapie et Fabrice Lucchini ; elle retrouve Lucchini dans « Jean Philippe » en 2005 de Laurent Tue avec Johnny Hallyday dans le rôle titre.

Elle abandonne le métier en 2010 après « Thelma, Louise et Chantal » un road movie aux côtés de Jane Birkin et Catherine Jacob, où trois femmes décident de tout quitter pour retrouver leur jeunesse et oublier leurs drames…

Caroline Cellier fut une comédienne élégante, discrète, loin des soirées mondaines et rarement à l'affiche d'un magazine people, appréciée pour son jeu naturel, souvent teinté d'un petit sourire moqueur, qui faisait tout son charme. Elle a été la compagne du comédien Jean Poiret qu'elle a rencontré en 1965 sur le tournage du film « La Tête du client » ils ont eu un fils, auteur et scénariste Nicolas Poiret, né en 1978… Après une longue maladie elle s’éteint le 15 décembre 2020 à Paris à l’âge de 75 ans.

1967 - Prix Suzanne Bianchetti de la révélation de l’année, France.

1985 - Pour le film : L’ANNÉE DES MÉDUSES - César du meilleur second rôle féminin, France.