Caroline van der Leeuw studeerde in 2005 af in de vakken jazz en zang aan het conservatorium.
Van der Leeuw is één van de zes zangeressen van Les Elles, een Amsterdamse closeharmonygroep, en zingt in de Philharmonic Funk Foundation, een 44 man sterk funkorkest. Daarnaast doet ze regelmatig de achtergrondzang bij het Kinderen voor Kinderen-songfestival. Van der Leeuw geeft zangles aan de zangschool van Babette Labeij (bekend als vocal coach bij Popstars, Idols en X-Factor).
Van der Leeuw verwierf onder haar artiestennaam Caro Emerald meer bekendheid door de single Back It Up. Het nummer was oorspronkelijk door drie Nederlandse producers en songwriter Vince Degiorgio (o.a. *NSYNC, Atomic Kitten, Aloha from Hell) geschreven voor een Japanse popact. Van der Leeuw werd benaderd voor het inzingen van de demo. Zij voegde het nummer toe aan het eigen repertoire. Het liedje bleef onbekend tot Van der Leeuw in 2008 het nummer live zong op de lokale Amsterdamse tv-zender AT5 onder de artiestennaam Caro. Hierna pakte Arrow Jazz FM het nummer op, zodat ze ook buiten Amsterdam bekend werd.
Back It Up werd op 6 juli 2009 uitgebracht op Grandmono Records, het label van de producers David Schreurs en Jan van Wieringen. Haar artiestennaam Caro werd tegelijkertijd veranderd in Caro Emerald. Ook is een Kraak & Smaak-remix uitgebracht. De plaat was 3F Megahit in week 32. In april 2010 werd bekend dat Back It Up de in 2009 meest gedraaide Nederlandse plaat op 3FM was, ze kreeg hiervoor de Schaal van Rigter uitgereikt.
In november 2008 schreven Degiorgio en Schreurs in Toronto zeven nieuwe liedjes voor het album. Tijdens deze schrijfsessie lieten zij zich sterk inspireren door films uit de jaren '50, waardoor een duidelijk concept voor het album ontstond. Eind januari 2009 reisde Degiorgio af naar Amsterdam om de rest van de liedjes te schrijven met Schreurs en Van der Leeuw. Op 16 oktober 2009 werd bekend dat Martini haar tweede single, A Night like This, afkomstig van het album, heeft gekozen voor een nieuwe reclamecampagne. Van der Leeuw is ook heel even te zien in de commercial.
Op 29 januari 2010 kwam haar album Deleted Scenes from the Cutting Room Floor uit. Deze kwam binnen op de eerste plaats in de Nederlandse Album Top 100. Toen het album acht weken onafgebroken op de eerste plaats stond, meldde GfK in een persbericht dat nooit eerder een nationale artiest deze positie zo lang had vastgehouden met een debuutalbum. Dat bleek echter incorrect, daar het record tien weken was en op naam van Krezip stond. Caro Emerald brak dit record later alsnog. Toen het album in de lijst van 22 mei 2010 voor de 15e week op nummer 1 stond, werd het allertijdenrecord voor een debuutalbum verbroken. Dit record was 14 weken en stond op naam van Tracy Chapman uit 1988. Op 20 augustus 2010 stond het album 27 weken op nummer 1 en heeft daarmee de koppositie van Thriller van Michael Jackson overgenomen in het overzicht van albums die het langst op nummer 1 stonden.
Na acht weken op 1 gestaan te hebben, ontving de zangeres op 2 april een platina plaat voor het album tijdens een uitzending van het tv-programma Pauw & Witteman.
Op 15 mei 2010 werd de single "That Man" uitgebracht.
Caro Emerald heeft inmiddels alle records gebroken met haar debuutalbum. Ze stond deze zomer op het North Sea Jazz Festival in Rotterdam.