Лэндис (урождённая Фрэнсис Лиллиан Мэри Ридст) родилась в бедной семье в деревушке Фейрчайлд (штат Висконсин) 1 января 1919 года. Ее мать, Клара Стентек Ридст, происходила из семьи поляков фермеров, а отец, Альфред Ридст, был норвежцем. Он бросил семью ещё до рождения дочери. Воспитанием Фрэнсис занимался её отчим Чарльз Феннер. Кэрол была младшей из пяти детей, двое из которых умерли в детстве.
В январе 1934 года 15 летняя Френсис вышла замуж за 19 летнего соседа, Ирвинга Виллера, однако брак был аннулирован в феврале 1934 года. Позднее, 25 августа 1934 года молодые люди повторно поженились. В 1938 году Ирвинг инициировал судебный процесс против Басби Беркели по обвинению в любовной связи с Лэндис, и в 1939 году брак был официально расторгнут.
Ещё в юности, благодаря привлекательной внешности, Лэндис часто становилась победительницей на различных конкурсах красоты, а в 15 лет бросила школу и решила начать карьеру в шоу-бизнесе.
До своего дебюта в качестве статистки в1937 году в фильме «Звезда родилась» она работала певицей и танцовщицей в одном из ночных клубов Сан-Франциско. Она перекрасилась в блондинку, взяла псевдоним Кэрол Лэндис, в честь своей любимой актрисы Кэрол Ломбард и, накопив 100 долларов, уехала покорять Голливуд. В конце 1930-х годов она иногда снималась на студии Warner Brothers, но лишь в эпизодических ролях, попутно подрабатывая моделью для календарей и плакатов фривольного содержания.
Первый успех к ней пришёл после выхода на экраны фильма «Миллион лет до нашей эры» (1940). Лента произвела фурор в мире кино, и наутро Кэрол проснулась знаменитой.
В начале 1940-х годов Кэрол снимается в череде чрезвычайно успешных фильмов уже в качестве исполнительницы одних из главных ролей. Во времена, когда пение многих актрис подвергалось дубляжу, голос Лэндис был настолько красивым, что актрису неоднократно приглашали сниматься в музыкальных сценах.
Вскоре Кэрол подписала контракт с киностудией20th Century Fox. Там она познакомилась и вступила в любовную связь с продюсером Дэррилом Ф. Зануком. Благодаря ему Лэндис получила роли во многих знаменитых фильмах того времени, включая «Луна над Майами» (1941) и «Ночной кошмар» (1941). После того как Кэрол разорвала отношения с Дэррилом, ее карьера резко пошла на спад и, теперь ей не предлагали ничего, кроме второстепенных ролей в фильмах категории «B».
Во время Второй мировой войны Лэндис много фотографировалась в качестве pin-up girl на плакаты для военнослужащих. Помимо этого она часто давала фронтовые концерты: в 1942 году она вместе с Кэй Фрэнсис выступала в Англии и Северной Африке, а двумя годами позже развлекала военных на юге Тихого океана. За все годы войны Кэрол проехала с концертами более 100,000 миль, более чем любая другая актриса. После войны она написала несколько статей для газет и журналов, где рассказывала о своих путешествиях в военные годы.
В 1945 году Лэндис исполнила главную роль в бродвейской постановке Жаклин Сюзанн «Дама говорит: „Да“». По некоторым данным между женщинами существовала любовная связь. Как бы то ни было, именно Лэндис стала прототипом героини Дженнифер Норд в книге Сюзанн Долина кукол.
За неудачной помолвкой Лэндис с известным кинопродюсером Басби Беркели в 1939 году, последовал двухмесячный официальный брак с брокером Уиллисом Хантом младшим в 1940.
Спустя два года Лэндис знакомится В Лондоне с капитаном ВВС Великобритании, героем войны Томасом Уэллисом. По многочисленным воспоминаниям родственников актрисы, Томас был ее «единственной настоящей любовью в жизни». Сама актриса признавалась, что влюбилась него сразу, как только увидела, а именно «в пятницу 13 ноября 1942 года в 4.30 после полудня».
5 января 1943 года после шестимесячного знакомства состоялось бракосочетание. Кэрол настояла, чтобы это было пышное венчание в католической церкви. Большим разочарованием для обоих явилась неспособность Лэндис иметь детей. Кэрол страдала от эндометриоза и поэтому не могла забеременеть, 2 года спустя они развелись.
В 1945 году Лэндис вышла замуж за бродвейского продюсера В. Хорейса Шмидлапа. Кэрол часто страдала от депрессий и несколько раз пыталась покончить с собой. Из-за этого её карьера стала угасать, а брак Шмидлапом трещал по швам. Спустя некоторое время у неё начался роман с актёром Рексом Харрисом, который на тот момент был женат на актрисе Лилли Палмер. После того как он отказался бросить семью ради неё 5 июля 1948 год, Кэрол была сокрушена и подавлена. Будучи не в силах это пережить, она покончила жизнь самоубийством, приняв большую дозу лекарства.
За свой вклад в киноискусство Кэрол Лэндис удостоена звезды на Голливудской аллее славы на Вайн-стрит 1765.