Caroline W. Bynum studierte an der University of Michigan und der Harvard University, an der sie 1969 ihren Ph.D.-Grad erwarb. Sie hat von 1969-1976 an der Harvard University, von 1976 bis 1988 an der University of Washington und von 1988 bis 2003 an der Columbia University gelehrt. An der Columbia University erhielt sie 1999 als erste Frau den Titel Universitätsprofessorin - ein Titel, der nur einer Handvoll der hervorragendsten Fakultätsmitglieder der Columbia University vorbehalten ist. Von 2003 bis 2011 war sie Professorin für Mittelalterliche Geschichte an der School of Historical Studies des Princeton Institute for Advanced Study.

Kein amerikanischer Historiker hat mehr Preise gewonnen oder eine größere Zahl wichtiger Forschungsstipendien erhalten und Positionen eingenommen. Diese umfassen u.a. die Einladung zur Jefferson Lecture 1999, ein MacArthur Fellowship von 1986 bis 1991, das Amt der Präsidentin der Catholic Historical Association, der American Historical Association (1996) und der Präsidentin der Medieval Academy of America (1997 bis 1998), zwei große Preise für Lehrtätigkeit und vierzehn akademische Ehrentitel.

Ihre Forschung galt fünf Gebieten der mittelalterlichen Kulturgeschichte: religiösen Orden, Geschlecht, Körpergeschichte, Eschatologie und jüngstens Devotionalien in vergleichender Perspektive. Von Beginn ihrer Laufbahn an konnte sie neue Fragen aufwerfen und neue Themen beleuchten, indem sie vernachlässigte Quellen aufdeckte oder durch Verwendung bekannter Materialien auf eine innovative Weise vorging.

Ihre einflußreichen Publikationen erhielten zahlreiche Auszeichnungen, darunter den Philip Schaff Preis für „Holy Feast and Holy Fast: the Religious Significance of Food to Medieval Women“ (1987); den Ralph Emerson Waldo Preis und den Jacques Barzun Preis für „The Resurrection of the Body“ (1995). 2001 erhielt Bynum die Centennial Medal der Harvard Graduate Society und 2005 den Distinguished Career Award der American Society of Church History. „Wonderful Blood: Theology and Practice in Late Medieval Northern Germany and Beyond“ wurde 2007 mit dem Gründler-Preis und der Haskins Medaille ausgezeichnet.