Настоящие имя и фамилия — Джейн Элис Питерс.
Когда ей было 12, ее заметил во время детского бейсбольного матча режиссер Аллан Двон, давший ей роль в фильме «Безупречное преступление».
Вскоре она увлеклась любительским театром, а с 1925 начала играть небольшие роли в кино, как правило, в вестернах.
В 1926 она попала в автомобильную аварию и ей потребовалась пластическая операция, чтобы убрать шрамы с левой половины лица. Студия «Fox» вскоре расторгла с ней контракт, и она перешла сниматься к Маку Сеннетту, у которого за полтора года сыграла в 13-ти короткометражках вместе с рядом популярных в то время комиков.
После этого ей стали доставаться более значительные роли, и в 1930 она подписала контракт с компанией «Paramount». Через несколько месяцев вышла замуж за актера Уильяма Пауэлла, который был на 16 лет старше нее (они развелись в 1933, но остались друзьями).
В 1932 она первый и единственный раз сыграла со своим будущим мужем, Кларком Гейблом, в фильме «Женщина без мужчины». Среди ее ранних звуковых картин выделяются также мистический триллер «Сверхъестественное» и антивоенный фильм «Орел и ястреб».
Ее звезда стремительно взошла на небосклоне Голливуда, когда она снялась в паре с Джоном Бэрримором в первой из так называемых «безумных» комедий 30-х годов, ленте Хауарда Хоукса «Двадцатый век». Ее героиня, капризная, темпераментная и взбалмошная, стала образцом одного из ключевых женских образов десятилетия, и все свои лучшие последующие роли Ломбард сыграла в этом амплуа.
Ее экранное присутствие отличалось необычайной динамичностью: она постоянно двигалась там, где другие актрисы лишь подставляли камере лицо для крупных планов. По своей пластике и юмору, заключенному в движении, она опередила время и потому кажется сегодня одной из самых «современных» актрис старого Голливуда.
Среди ее лучших фильмов были комедии «Руки на столе», «Мой дворецкий Годфри» и сатирический фарс «Ничего святого». Она блестяще спародировала Грету Гарбо в картине «Принцесса пересекает океан». В 1939 сыграла в мелодрамах «Созданы друг для друга» и «Только на словах», в паре соответственно с Джеймсом Стюартом и Кэри Грантом. В тот же год она вышла замуж за Кларка Гейбла.
Ее любили все, с кем она работала, — за профессионализм, за блестящее остроумие, за манеру ругаться, как извозчик, за доброту и искреннее внимание к самым незначительным членам съемочной группы. Она обожала шутки и розыгрыши, и когда ее избрали почетным мэром Калвер-Сити, на территории которого находилась студия «Columbia», досадила студийным боссам, объявив выходной день для всех работников.
Брак с Гейблом оказался счастливым, и ее карьера была в самом расцвете к началу 40-х годов: она сыграла в комедии Альфреда Хичкока «Мистер и миссис Смит» и в шедевре Эрнста Любича «Быть или не быть».
Кэрол Ломбард использовала свое звездное обаяние, чтобы ей, ее матери и секретарше позволили остаться в самолете, из которого высадили остальных пассажиров для размещения воинского персонала.
После вылета из Лас-Вегаса пилот не сумел набрать достаточную высоту, и самолет врезался в гору Тейбл-Рок, развалившись надвое. Передняя секция, где сидела Кэрол, была практически расплющена.
Так 16 января 1942 года на 34-м году жизни погибла молодая красивая голливудская актриса. На месте катастрофы были найдены лишь клипсы с бриллиантами и рубинами, которые Кларк подарил Кэрол на Рождество...
Похоронена Кэрол Ломбард, вернее то, что от нее нашли, была на кладбище Голливуда в Глендейле «Лесная Лужайка» в «Большом Мавзолее» по левой стороне «Sanctuary of Trust». На фронтоне ее надгробия надпись «Кэрол Ломбард Гейбл».