Caroline Senneville commence à enseigner en 1990 au Cégep Limoilou, où elle milite activement au sein de son syndicat, notamment comme déléguée aux instances de la Fédération nationale des enseignantes et des enseignants du Québec (FNEEQ-CSN). Élue présidente de son syndicat en 1997, elle occupera ce poste pendant quatre ans.

À compter de 2001, elle milite au sein de sa fédération. D’abord élue deuxième vice-présidente (2001-2004), elle occupera par la suite les postes de secrétaire générale et de trésorière (2004-2012), puis celui de présidente (2012-2017).

En 2017, elle fait le saut au comité exécutif de la Confédération des syndicats nationaux (CSN) à titre de première vice-présidente. En juin 2021, elle devient la deuxième femme de toute l’histoire de la CSN à être élue au poste de présidente. Elle est réélue à ce poste pour un second mandat en mai 2023 lors du 67^e Congrès.

Caroline siège aux conseils d’administration de Fondaction et de la Commission des normes, de l’équité, de la santé et de la sécurité du travail (CNESST).