Падчерица промышленника (владельца концерна «Пирелли») и композитора Альберто Бруни-Тедески, дочь пианистки Марисы Борини. Её сестра Валерия Бруни-Тедески — актриса. Младший брат Карлы, Виржинио Бруни-Тедески умер от СПИДа в 2006 году. С 5 лет Карла живёт во Франции (хотя до июля 2008 г. имела только итальянское гражданство), училась в элитной школе-интернате в Швейцарии. Карьеру фотомодели начала в 19 лет, входила в двадцатку наиболее высокооплачиваемых моделей мира, работала с целым рядом домов моды. Позировала, в частности, полностью обнажённой.
В 1997 году покинула подиум и выступает как певица; до брака с президентом выпустила два альбома с песнями как собственного сочинения (на французском и итальянском языках, Quelqu’un m’a dit, 2002), так и на стихи известных англоязычных поэтов (Кристины Россетти, Эмили Дикинсон, У. Б. Йейтса и других — альбом No Promises, 2007). В 2006 году Бруни приняла участие в альбоме памяти Сержа Генсбура Monsieur Gainsbourg Revisited. 11 июля 2008 года вышел её третий альбом, уже в качестве первой леди, под названием «Как ни в чём не бывало» (Comme si de rien n'?tait); он привлёк к себе большое внимание публики, за первые 3 дня было продано 14 100 экземпляров. К концу 2008 года альбом разошёлся тиражом в 500 000 экземпляров, из которых первые 300 000 были проданы во Франции.
Победительница престижного национального конкурса Виктуар де ля мюзик (2004).
В 2001 году у 33-летней Бруни родился сын Орельен (Aurelien) от 23-летнего студента (впоследствии профессора философии и ведущего ряда радиопередач) Рафаэля Энтовена. Ранее Энтовен был женат на Жюстин Леви, дочери французского «медиатического интеллектуала» Бернара-Анри Леви, известного как BHL. Бруни в то время жила с отцом Энтовена и лучшим другом Леви, критиком, философом и издателем Жаном-Полем Энтовеном. Впоследствии Бруни и Энтовен-младший расстались, она посвятила ему песню «Рафаэль» в своём первом альбоме. Оскорблённая Жюстин Леви отомстила разлучнице в романе «Rien de grave» («Ничего особенного»), где нарисован довольно жёлчный портрет «Паулы», «самки богомола с улыбкой Терминатора». Бруни неоднократно заявляла, что ей «наскучила моногамия», среди её многочисленных возлюбленных, помимо отца и сына Энтовенов, были Мик Джаггер, Эрик Клэптон, Кевин Костнер, Венсан Перес и бывший премьер-министр Франции Лоран Фабьюс.
Однако назвать Бруни своей женой удалось лишь президенту Франции Николя Саркози. Знакомство Бруни с Саркози произошло осенью 2007 года, вскоре после его развода; вместе они провели рождественские каникулы и посещали много мест отдыха. 8 января 2008 года Саркози на пресс-конференции подтвердил факт их романа и намекнул на то, что собирается жениться на Карле. 2 февраля 2008 года свадьба Бруни и Саркози состоялась в Елисейском дворце. Для Николя это третий брак. Впервые глава Французской республики женился, будучи в должности президента.
В марте 2008 года Карла сопровождала мужа во время официального визита в Великобританию, где к ней было приковано значительное внимание публики. Летом (не позднее 9 июля — публикация в «Фигаро») она получила французское гражданство.
19 октября 2011 года Карла Бруни родила дочь Джулию.
Не будучи на тот момент гражданкой Франции, Карла Бруни не голосовала на президентских выборах 2007 года, но утверждала в одном из интервью, что отдала бы голос за оппонента Саркози — Сеголен Руаяль. Она высказывалась также против использования генетических тестов при воссоединении семьи (животрепещущий вопрос во Франции конца 2007 года, рассматривавшийся Конституционным советом). В целом она заверяет, что политической фигурой не является. Вышеупомянутая пресс-конференция Саркози — единственный текст, в котором она упоминается на официальном сайте президента республики.