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Caroline Dhavernas est née à Montréal le et a commencé sa carrière dès l'âge de 8 ans, en doublant des téléséries comme Babar, Mont-Royal et La Championne. À l'âge de 12 ans, elle a fait ses débuts comme actrice dans le film Comme un Voleur de Michel Langlois.
Elle a joué dans plusieurs films canadiens, parmi lesquels L'Île de sable de Johanne Prégent, Lost and Delirious de Léa Pool, The Baroness and the Pig de Michael Mackenzie et Nez rouge d'Érik Canuel.
Dernièrement, elle a décroché un rôle principal dans la nouvelle série médicale d'ABC Off the Map : Urgences au bout du monde de la productrice Shonda Rhimes, responsable des succès de Grey's Anatomy et Private Practice.
On la verra sous peu dans les films Devil, Une famille très moderne et Wrecked, ainsi que dans le drame fantaisiste Mars et Avril de Martin Villeneuve, tiré des romans graphiques éponymes.