Va néixer i morir a Barcelona però sempre es va reivindicar figuerenca. Filla de figuerencs, era parent per part de pare de l’inventor del submarí Narcís Monturiol i neboda, per part de mare, de l’escriptor i polític Josep Puig i Pujades.

Des de ben petita, la Carme va mostrar passió per la lectura, el teatre i la música. Va oferir recitals de piano com a solista al Palau de la Música Catalana i va formar part del trio musical Montoriol-Cassadó, de piano, violí i violoncel, amb la seva germana Lina i Montserrat Cassadó.

És al 1920 que la Carme fa les seves primeres incursions en el camp de la literatura, quan va donar a conèixer els primers poemes, que no va arribar a aplegar mai en cap recull. Al 1928 la reconeixen com a escriptora, després que li publiquessin la traducció completa d’Els sonets de Shakespeare, encoratjada pel seu mestre Pompeu Fabra, a qui va dedicar el llibre. I és al 1930 quan Carme Montoriol fa la seva immersió en el gènere teatral amb l’estrena de L’abisme (1930), a la qual seguiren tres obres més. El 1932 va publicar la novel·la Teresa o la vida amorosa d’una dona i, el 1936, un recull de narracions titulat Diumenge de juliol.

Sensibilitzada per la situació social de les dones, el 1932 va ser presidenta del Lyceum Club.

Durant la Guerra Civil va treballar com a secretària de Josep Pous i Pagès, en aquell moment president de la Institució de les Lletres Catalanes, i es va implicar en la causa republicana. D’aquells anys destaca la seva traducció de l’obra No passaran! (Una història del setge de Madrid), d’Upton Sinclaire, editada pel Comissariat de Propaganda de la Generalitat el 1937.

Després de la guerra i d’un curt exili a Lió, Carme Montoriol va deixar d’escriure i de fer concerts. Va morir a Barcelona el juliol de 1966, quan estava treballant en la traducció del Rei Lear i havia enllestit un recull de contes d’autors anglosaxons.