Nació en Munich y fue alumna de Igor Ozim en Colonia, de Michèle Auclair en Boston y de David Takeno en Londres. Ha sido galardonada en algunas de las más señaladas competiciones, como el Kulturförderpreis de la Ciudad de Múnich, la International Georg Kulenkampff Violin Competition de Colonia de 1999 y la International. Jeunesses Musicales Competition de Belgrado de 2001. En 1998, Yehudi Menuhin le otorgó el 'Prix du President' en el Concours International Yehudi Menuhin de Boulogne-sur-Mer, Francia. También ha sido premiada con el Belmont Prize de la Forberg-Schneider Foundation, en reconocimiento a su dedicación a la New Music contemporánea.

Carolin Widmann es invitada asidua en festivales tan relevantes como el de Lucerna, el de Salsburgo, el Schleswig-Holstein o los de Aspen, Banff, Davos y Bath. También  ha actuado en el Festival D'Automne de París, en el Musica Festival de Estrasburgo, en el Berliner Festwochen, el Holland Festival, Las Vegas Music Festival, Jerusalem Chamber Music Festival y en el festival de primavera Heidelberg Frühling, en cuya celebración, en 2007, ocupó el cargo de director artístico de las series de conciertos del ‘Atelier’.
En calidad de intérprete solista, ha actuado con las principales orquestas sinfónicas de la radio de Alemania, como la Symphonieorchester des Bayerischen Rundfunks o la Gewandhausorchester de Leipzig, con la BBC Symphony Orchestra de Londres, con la Radio Filharmonisch Orkest neerlandesa, con la Orquesta filarmónica de Pekín, l‘Orchestre Philharmonique du Luxembourg o l’Orchestra dell'Accademia Nazionale di Santa Cecilia de Roma, en colaboración con maestros de la talla de Riccardo Chailly, Yehudi Menuhin, Peter Eötvös, Jonathan Nott y Heinz Holliger.
En sus conciertos y recitales, Carolin Widmann trata de tender un puente entre el repertorio vienés de los períodos clásico y romántico y composiciones de la New Music más recientes. A pesar de estar muy solicitada para la interpretación de obras de compositores contemporáneos -- como las que Wolfgang Rihm, Matthias Pintscher, Jörg Widmann o Erkki-Sven Tüür han escrito para ella--, y de trabajar también con György Kurtág, Pierre Boulez, George Benjamín y Salvatore Sciarrino, se siente al mismo tiempo vinculada y muy afín al repertorio tradicional de violín.

Lo más destacado de su agenda para la temporada 2009/2010 es debutar con la Tonhalle-Orchester Zürich (bajo la batuta de Jonathan Nott) y con la London Philharmonic Orchestra (bajo Vladimir Jurowski). Además, realizará una gira por Alemania y Austria con la Junge Deutsche Philharmonie y Sir Roger Norrington. Junto a su hermano Jörg Widmann, será también artista en residencia en la Kunstfest Weimar de 2010.

Durante la pasada temporada, en colaboración con Salome Kammer y el famoso director de escena francés Antoine Gindt, Carolin Widmann preparó una puesta en escena de Kafka-Fragmente, obra del compositor György Kurtág, que repetirá en la presente temporada y en las próximas, entre otras ocasiones en el MaerzMusik de Berlín, así como en Atenas y en París. Con Camerata Berne, presentó por vez primera en su doble calidad de solista y director de orquesta, duplicidad artística que mantendrá en el futuro.

Su estreno en CD ‘Reflections I’ fue nominado al Preis der Deutschen Schallplattenkritik de 2006 por la Asociación de Críticos Musicales de Alemania. Su primer álbum con el sello discográfico ECM, las  Sonatas de  Schumann con acompañamiento al piano de Denes Varjon, salió el mes de septiembre de 2008. Están previstas otras producciones.
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Desde octubre de 2006, Carolin Widmann ocupa una cátedra de profesor de violín en la facultad de la Felix Mendelssohn-Bartholdy Musikhochschule de Leipzig.