Caroline Senneville commence à enseigner en 1990 au Cégep Limoilou, où elle milite activement au sein de son syndicat, notamment à titre de 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 CSN à titre de première vice-présidente. En juin 2021, elle est élue à la présidence de la CSN (elle est la deuxième femme de toute l’histoire de la CSN à occuper ce poste), puis réélue 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.