Кэрол У. Грейдер родилась 15 апреля 1961 года в Сан-Диего, штат Калифорния. Родители Грейдер были учеными: мать – биолог, отец – физик.
Грейдер получила первый опыт практических исследований в университете Калифорнии в Санта-Барбаре, где она и получила степень бакалавра биологии. Работая в Калифорнийском университете в Беркли, в лаборатории Элизабет Блэкбёрн, Кэрол Грейдер обнаружила теломеразу – фермент, который поддерживает последовательности теломеры. Произошло это 26 декабря 1984 года, но только в июне 1985 года исследователи полностью убедились в том, что выделили правильный фермент.
Позже Грейдер отмечала, что вложила в открытие множество усилий, работая по 12 часов в день на протяжении 9 месяцев и «перелопачивая» множество специальной литературы для совершенствования своих знаний.
После получения степени доктора философии в Беркли Грейдер продолжала биохимические исследования теломеразы и биологических функций теломер в лаборатории Колд-Спринг-Харбор (Нью-Йорк). А в 1997 году она переместила свою лабораторию в Университет Джона Хопкинса (Балтимор, штат Мэриленд), где и продолжает исследования по сей день.
В 2009 году Кэрол Грейдер совместно с Элизабет Блэкбёрн и Джеком Шостаком стала лауреатом Нобелевской премии «за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы». Она входит в число десяти женщин – лауреатов Нобелевской премии в области медицины.