Caroline Senneville commence à enseigner en 1990 au Cégep Limoilou où elle milite activement au sein de son syndicat, notamment comme déléguée aux instances de la Fédération nationale des enseignantes et enseignants du Québec (FNEEQ–CSN). Élue présidente de son syndicat en 1997, elle occupera ce poste pendant quatre ans.

À compter de 2001, elle milite au sein de sa fédération. D’abord élue deuxième vice-présidente (2001–2004), elle occupera par la suite le poste de secrétaire générale et trésorière (2004–2012), puis celui de présidente (2012–2017).

Fervente militante féministe, elle s’est impliquée pendant de nombreuses années au comité confédéral de la condition féminine et à la Fédération des femmes du Québec.

Caroline Senneville a été élue à la présidence de la CSN lors du conseil confédéral de juin 2021, après avoir occupé le poste de première vice-présidence depuis mai 2017.