Caroline Samer obtient un diplôme de médecin en 2001 à Genève. Après une spécialisation en médecine interne et en pharmacologie et toxicologie cliniques, elle effectue un doctorat dans le domaine de la pharmacogénomique, puis un stage post-doctoral en pharmacologie moléculaire à Sydney. De retour aux HUG en 2009 comme cheffe de clinique puis médecin adjointe, elle est nommée responsable du Centre d’information thérapeutique en 2015 dans le Service de pharmacologie et toxicologie cliniques, et de l'Unité de pharmacogénomique et de thérapie personnalisée, en 2019.

Ses recherches s'attachent à personnaliser et sécuriser la thérapeutique médicamenteuse (approche de médecine de précision) en mesurant les interactions gènes-environnement-maladie au niveau pharmacocinétique et en exploitant les avancées des diverses technologies -omiques, notamment la pharmacogénomique. Elle est aussi présidente du Groupe suisse de pharmacogénomique et de thérapie personnalisée, vice-présidente de la Commission d'éthique de la recherche du canton de Genève, Présidente élue de la Société suisse de pharmacologie et toxicologie cliniques, présidente de la section clinique et membre du Comité exécutif de l’Union internationale pour la pharmacologie clinique et fondamentale (IUPHAR) ainsi que de celui du Conseil des organisations internationales des sciences médicales (CIOMS).

Privat-docent de la Faculté de médecine de l’UNIGE en 2017, puis professeur assistante en 2020, elle est nommée en octobre 2022 professeure associée au Département académique d’anesthésiologie, pharmacologie, soins intensifs et urgences et médecin-cheffe du service de pharmacologie et toxicologie cliniques des HUG.