Après avoir étudié le chant, l'écriture et la mise en scène aux Etats-Unis, Caroline Espargilière se forme à l'Ecole Charles Dullin, puis au Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique.
Au théâtre, elle joue dans Sainte Jeanne des abattoirs de Brecht, mise en scène Bernard Sobel ; dans le diptyque composé de Agnès de Catherine Anne et de L’École des femmes de Molière mis en scène par Catherine Anne ; Après la pluie de Sergi Belbel, mise en scène Rodolphe Corrion ; Silence Travail de Christelle Evita, mise en scène Hélène Poitevin ; Insolite comme toute chose ordinaire, création du Collectif L’art au quotidien ; I.D de Rasmus Lindberg, création du Collectif Le 3ème état.
En tant que chanteuse, Caroline Espargilière travaille régulièrement pour des spectacles hybrides mêlant théâtre et musique : les créations de l'écrivain et compositeur Jacques Rebotier telles que La Revanche du dodo ou Les Trois Parques m’attendent dans le parking ; Opérette de Witold Gombrowicz, mise en scène Jean-Michel Rabeux ou encore Le Malade Imaginaire, comédie-ballet de Molière, mise en scène Alain Gautré.
En 2016-2017, elle est Armande dans Trissotin ou Les femmes savantes, mise en scène Macha Makeïeff au Théâtre National de La Criée à Marseille et en tournée en France.