Älteste von vier Töchtern des Zoodirektors Dietrich Thomas Hagenbeck (1933-1982). Banklehre, danach Tätigkeit bei der Londoner Commerzbank. Bedingt durch die Erkrankung ihres Vaters, beendete sie ihre Banklaufbahn, volontierte im West-Berliner Zoologischen Garten und übernahm nach dem Tod des Vaters mit ihrem Onkel, dem Tierarzt Dr. Claus Hagenbeck, die Leitung des Tierparks Hagenbeck. Damals war sie mit 23 Jahren Europas jüngste Zoodirektorin.
Nach der Geburt ihres ersten Kindes 1989 übergab Caroline Hagenbeck die Geschäftsleitung an ihren Mann Joachim Weinlig-Hagenbeck.
Mit dem Tierarzt Claus Hagenbeck gründete sie 1998 eine Stiftung für den Tierpark, um den Erhalt des Zoos zu sichern.