Carine Bonnefoy commence l'étude du piano à sept ans à l'école cantonale de musique et de danse de Solliès-Toucas dans le Var sous l'enseignement d'Yvan Belmondo et Élisabeth Couette ; puis elle y étudie le saxophone à l'âge de 13 ans avec Lionel Belmondo.
Elle fait un doctorat de « Musique - Recherche et pratique » (CNSMDP et université Paris-Sorbonne) avec une thèse soutenue en 2017 sous le titre Le jazz symphonique : harmonie et spatialité, dirigée par Jean-Marc Chouvel.
Depuis 2003, elle enseigne l'écriture jazz (composition, arrangement, orchestration) et encadre les ateliers jazz 3e cycle et cycle spécialisé au département jazz du conservatoire à rayonnement départemental de Cachan qu'elle coordonne. Elle enseigne également l'écriture jazz au Centre des musiques Didier Lockwood (CMDL), au conservatoire à rayonnement communal du 13e arrondissement de Paris (CMA13) - PSPBB (Pôle Supérieur Paris-Boulogne Billancourt) et au CNSMDP en formation supérieure des métiers du son (FSMS).
En 2000, elle fonde son premier quintet avec Stéphane Belmondo, Denis Leloup, Gilles Naturel et Manhu Roche, avec qui elle enregistre son premier album : Something To Change. Elle enseigne l'arrangement à l'IACP (ancien « Institut Art Culture Perception » à Paris), et le piano-jazz à l'école de musique municipale de Montrouge et de Sarcelles jusqu'en 2003.
Ses origines tahitiennes la poussent à s’intéresser à d’autres courants musicaux, qu'elle travaille notamment avec des musiciens et percussionnistes africains et antillais comme Gino Sitson, Serge Marne, Éric Vinceno, et Cheikh Tidiane Fall.
Elle reçoit en 2007 une commande de cent minutes de musique originale pour le big-band de la WDR (radio publique allemande) qu’elle dirigera pour une série de concerts en Allemagne. Elle arrange et orchestre deux pièces concertantes pour hautbois avec l'orchestre national d'Île-de-France, sur des compositions originales de Jean-Luc Fillon.
2005 : sélection aux Djangodor pour l'album en quintet Something To Change
2007 : Djangodor - Prix SACEM de la création pour l'album Outre-terres
2009 : l'album Regência: Vince Mendoza(en) reçoit le Latin Grammy Awards dans la catégorie Best MPB (Musica Popular Brasileira) Album, et est nommé dans la catégorie du meilleur album de l'année (Latin Grammy Award for Album of the Year). Le titre Arlequim Desconhecido dont elle a écrit l'arrangement est sélectionné dans la catégorie Enregistrement de l'année (Latin Grammy Award for Record of the Year).
