Diplômée de la Femis section montage, Caroline Detournay démarre en tant qu’assistante monteuse auprès des monteurs Yann Dedet et Annette Dutertre sur les films de Noémie Lvovsky, Cédric Kahn, Mathieu Amalric et Claire Denis. Depuis 2010, Caroline Detournay monte les films de Narimane Mari Loubia (Hamra), Paulina Pisarek (I Don’t touch the Gold), Patric Chiha (Boys like us), Guillaume André (Des édens éphémères), Mathieu Amalric (Trilogie sur John Zorn), Elsa Amiel (Pearl), Jeanne Balibar (Merveilles à Montfermeil)… Elle enseigne aussi depuis une dizaine d’année à la Femis.
En 2015-2016, elle co-réalise deux films documentaire-fiction, avec Paulina Pisarek : Free Bullet et Saint-Désir.
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