Carolina bắt đầu chơi cầu lông ở câu lạc bộ IES La Orden ở Huelva. Năm 2009, cô trở thành tay vợt cầu lông Tây Ban Nha đầu tiên giành Huy chương bạc tại Giải vô địch cầu lông trẻ châu Âu và Huy chương vàng tại Giải vô địch U17 châu Âu.

Năm 2013, Carolina chơi cho CLB Banga Beats ở Bangalore, Ấn Độ trong giải khai mạc của Liên đoàn cầu lông Ấn Độ.

Cô cũng là người Tây Ban Nha đầu tiên giành một danh hiệu Grand Prix Gold vào năm 2013, sau khi vô địch giải London Grand Prix Gold.

Ngày 31 tháng 8 năm 2014, cô đánh bại tay vợt Trung Quốc Li Xuerui trong trận chung kết giải vô địch thế giới của Liên đoàn cầu lông thế giới, trở thành người Tây Ban Nha đầu tiên và là tay vợt nữ châu Âu thứ ba giành danh hiệu vô địch thế giới, sau khi Lene Koppen (1977) và Camilla Martin (1999). Ở tuổi 21, Marín là nhà vô địch thế giới trẻ nhất châu Âu.

Ngày 8 tháng 3 năm 2015, cô giành giải Toàn Anh (All England), danh hiệu Superseries Premier đầu tiên của cô trong lần tham gia đầu tiên. Nhờ vậy Carolina leo lên hạng bốn bảng xếp hạng thế giới và hạng nhất bảng xếp hạng Superseries.

Tại giải Ấn Độ mở rộng 2015, cô đã có cơ hội giành vị trí số 1 thế giới. Tuy nhiên, Carolina đã thua thần đồng Thái Lan Ratchanok Intanon sít sao ở bán kết. Sau đó cô đạt vị trí số 2 trên bảng xếp hạng thế giới vào ngày 2 tháng 4 năm 2015.

Ngày 5 tháng 4 năm 2015, Carolina giành danh hiệu Super Series Premier thứ hai của mình, sau khi đánh bại nhà vô địch Thế vận hội Li Xuerui lần thứ 2 liên tiếp tại giải 2015 Malaysia mở rộng.

Ngày 16 tháng 8 năm 2015, cô giành danh hiệu vô địch thế giới lần thứ 2 liên tiếp, sau khi chiến thắng Saina Nehwal của Ấn Độ.

Ngày 19 tháng 8 năm 2016, cô giành huy chương vàng Thế vận hội nội dung đơn nữ sau khi đánh bại P.V Sindhu của Ấn Độ trong trận chung kết tại Rio, Brasil với tỉ số 19-21, 21-12, 21-15.