Caroline Loeb (* 5. Oktober 1955 in Neuilly-sur-Seine) ist eine französische Chansonsängerin, Schauspielerin, Theaterregisseurin und Autorin.
Einen Teil ihrer Kindheit verbrachte Caroline Loeb in den USA, wo ihr Vater Albert Loeb (* 1932) von 1958 bis 1971 eine Galerie in New York City besaß. 1966 eröffnete er eine heute noch bestehende Galerie in Paris. Sie ist Enkelin des Galeristen Pierre Loeb (1897–1964) und Großnichte der Fotografin Denise Colomb (1902–2004), ihr Bruder ist der Schauspieler Martin Loeb (* 1959).
In den 1970er Jahren begann sie ihre Schauspielkarriere in einigen Filmen von Jean Eustache, darunter Meine kleinen Geliebten (1974), wo ihr Bruder die Hauptrolle spielte. Außer in weiteren Filmen trat sie auch auf der Theaterbühne auf. Mit ihrer zweiten Single C’est la ouate (englischer Titel And So What), die 1986 in den Single-Charts in Italien Platz Nr. 1, in Spanien Nr. 3, Frankreich Nr. 5, Deutschland Nr. 10 und Österreich Nr. 30 erreichte, wurde sie international bekannt. Zu ihren zahlreichen Regiearbeiten gehört unter anderem eine Inszenierung der Vagina-Monologe von Eve Ensler am Théâtre Michel in Paris (2007). Caroline Loeb, die zeitweilig auch Rundfunkmoderatorin war, veröffentlichte 2006 mit Has Been ihren ersten Roman.