Carol Rama incomincia negli anni trenta a dipingere da autodidatta soggetti dalla fisionomia semplificata.
Esegue acquerelli nei quali donne nude, talvolta coi corpi amputati degli arti e su letti di contenzione o sedie a rotelle, esprimono un esplicito erotismo. Animali, protesi ortopediche, dentiere, scarpe, parti anatomiche (falli, braccia, piedi, lingue) animano questi dipinti sfrontati, tanto anacronistici per l'epoca da risultare inaccettabili (la sua prima personale nel 1945 fu bloccata, le opere sequestrate). Sono lavori che riflettono le angosce e le fantasie di una giovane donna che ha dovuto confrontarsi con aspetti traumatici della vita (come la morte tragica e prematura del padre e la conseguente malattia psichiatrica della madre).
Si avvicina poi all'astrattismo del MAC - Movimento Arte Concreta, e partecipa con lavori astratto-concreti alla Biennale di Venezia del 1948 e del 1950.
Realizza i Bricolage (così definiti dall'amico Edoardo Sanguineti), composizioni di segni e macchie di stile informale alle quali aggiunge occhi di vetro, denti, unghie ed altri materiali incollandoli sulla tela. Gli amici hanno un grande ruolo nella vita di Carol, a cominciare da quelli dell'ambiente torinese, come Felice Casorati, Albino Galvano, Italo Calvino, Massimo Mila, Carlo Mollino, Gualtiero Passani, Corrado Levi e altri ancora. Durante i soggiorni del 1970-71 a Parigi e a New York, insieme al suo gallerista Luciano Anselmino, conosce Andy Warhol, Orson Welles e Man Ray.
Utilizza camere d'aria di bicicletta per realizzare tele in apparenza astratte e nelle quali sono presenti riferimenti all'anatomia umana e alla sessualità (pelle, carne, budella, falli). Nel 1979 la Galleria Martano di Torino espone sette opere di quel periodo, insieme a dodici acquarelli degli anni 1937/1941.
In seguito all'incontro con Lea Vergine, il 1980 la vede presente con numerosi lavori degli anni Trenta e Quaranta nella mostra itinerante sulle grandi artiste del Novecento, intitolata "L'altra metà dell'avanguardia". Nel 1985 viene allestita la sua prima mostra antologica nel sagrato del Duomo di Milano, a cura di Lea Vergine. Il lavoro dei primi anni viene rivalutato e questa è forse una delle ragioni per cui Carol torna alla figurazione. Dall'inizio degli anni Ottanta Carol Rama crea figure e personaggi ispirati alla sua storia personale, ma che raccontano anche di desideri e fantasie inespresse. Tra gli anni Ottanta e Novanta l'immaginario di Carol Rama si popola di nuovi soggetti, come la Mucca Pazza, dipinti o disegnati sopra mappe catastali, fogli “usati”, disegni tecnici prescritti.
Prima esposizione negli Stati Uniti presso la Esso Gallery di New York, organizzata da Filippo Fossati e Jennifer Bacon nel 1997. Mostre pubbliche, come la sala personale alla XLV Biennale di Venezia nel 1993, la collettiva del 1996 “Inside the Visibile” all'ICA di Boston (poi a Washington, Boston, Perth) o l'antologica allo Stedelijk Museum di Amsterdam (1998, poi a Boston) la portano all'attenzione del pubblico internazionale.
Il grande riconoscimento pubblico le arriva soltanto nel 2003, quando le viene conferito il Leone d'oro alla carriera in occasione della 50ª Biennale di Venezia. Nel 2004 viene allestita un'ampia mostra antologica presso la Fondazione Sandretto Re Rebaudengo a Torino, che in seguito viene presentata al Mart di Rovereto e al Baltic Museum di Gateshead (Regno Unito). Il Museo cittadino di Ulma in Germania e la Galerie im Taxispalais a Innsbruck organizzano anch'essi nel 2004-2005 una grande mostra retrospettiva. Seguono altre importanti mostre, tra le quali "Trama doppia" ad Alghero in Sardegna nel 2006, con una personale di Carol Rama interpretata dallo stilista Antonio Marras, una mostra antologica di incisioni al Museo di Arte Moderna Ca' Pesaro di Venezia, "La passione secondo ABO", curata da Achille Bonito Oliva a Ravello nel 2007 (incentrata sull'opera figurativa) e la mostra a Paestum al MMMAC (Museo Materiali Minimi d'arte Contemporanea) presentata da Gillo Dorfles, nel 2008 la mostra antologica al Palazzo Ducale di Genova, in occasione del novantesimo anniversario della nascita, e la mostra “Self Portrait” a Legnano (Mi), nel 2009 “Autorattristratrice”, presso la Galleria Isabella Bortolozzi di Berlino, che la rappresenta dal 2010 ad ArtBasel.
Il 14 gennaio 2010 presso il Quirinale, Carol Rama riceve dal Presidente della Repubblica Giorgio Napolitano il prestigioso Premio del Presidente della Repubblica, su segnalazione degli Accademici Nazionali di San Luca.
Si spegne il 24 settembre 2015 nella sua casa museo di Torino, dove è vissuta ininterrottamente dagli anni quaranta. Il suo ultimo lavoro conosciuto è del 2007 e chiude una intensa carriera durata oltre settant’anni.