Caroline Tref se forme à Rouen et à Paris avec Willie Guillaume, David Louwerse, Philippe Bary, avant d'être admise au Conservatoire Royal de musique de Bruxelles dans la classe de Marie Hallynck. Son cursus se termine par l'obtention d'un master de violoncelle avec distinction et d’un master de pédagogie. Titulaire du Certificat d’Aptitude, Caroline enseigne le violoncelle au conservatoire Arthur Honegger du Havre.
L'artiste travaille également avec les prestigieux violoncellistes Marcio Carneiro, Xavier Gagnepain, François Guye, Roland Pidoux. La musique de chambre occupe une place de choix dans sa carrière. Elle est guidée par Muhiddin Demiriz pour le répertoire avec piano et Guy Danel pour le quatuor à cordes. Elle joue en duo de violoncelles avec David Louwerse, en sonate avec l’organiste Elise Léonard, en trio à cordes, quatuor à cordes, trio avec piano et en duo harpe violoncelle avec Alice Cissokho.
Elle est invitée au festival Offenbach d'Etretat, au festival Concert en nos villages à Poitiers, au festival les Nocturnes de la cathédrale de Rouen, au festival de musique de fort de France, au festival Ault en musique, aux journées musicales de Dieulefit, aux festivals normands Le goût des autres, Terres de paroles et Un soir au jardin.
C’est avec le danseur Pierre-Nicolas Buisson qu’elle s’associe en 2021 pour la création du spectacle Suite de danses dans lequel les pas du danseur illustrent les notes des trois premières suites pour violoncelle seul de Jean-Sébastien Bach.