Formou-se em jornalismo pela Faculdades Integradas Hélio Alonso, iniciou como editora de imagens do Jornal Hoje, em 1984. Com 18 anos já era apresentadora de um programa semanal em rede nacional na TV Educativa. Foi repórter na extinta Rede Manchete. Na Rede Bandeirantes, apresentou vários telejornais, como o Jornal da Band e o Jornal da Noite, bem como as transmissões de carnaval, antes de voltar à Rede Globo, em 1997.

Contratada inicialmente para o SPTV, Carla foi logo convocada para o Fantástico, no qual ficou até 1998. Passou por todos os telejornais da casa, menos o Globo Rural e o Globo Repórter.

Em 1999, passou a integrar o rodízio de apresentadores eventuais do Jornal Nacional. Em 2001 assumiu a bancada do Jornal Hoje, ao lado de Carlos Nascimento, e ficou lá até dezembro de 2002, trocando de função com Sandra Annenberg para assumir a bancada do SPTV 1ª Edição. Desde 2005, Carla apresentava eventualmente o Globo Notícia.

Em 1º de Abril de 2010, Carla se despede do SPTV, passando a comandar o Bom Dia São Paulo e as notícias de São Paulo no Bom Dia Brasil.

Foi casada com o também jornalista Chico Pinheiro até maio de 2008, com quem teve três filhos. Os dois se divorciaram em 2008.

Em setembro de 2011 se casou com o advogado Carlos Monnerat, seu primeiro namorado.

Em abril de 2013, Carla deixou a bancada dos telejornais Bom Dia SP e Bom Dia Brasil e passou a ser repórter especial do Fantástico em SP, onde estreou no dia 02 de junho de 2013 já com duas reportagens: uma entrevista com o astro do basquete Oscar Schmidt e outra sobre os bairros que servem de cenário para duas novelas em SP, "Sangue Bom" e "Amor à Vida".

Fez outras reportagens especiais marcantes, como a entrevista na casa em Marbella, Espanha, do astro da música internacional Julio Iglesias. Também mostrou a deterioração do nosso patrimônio histórico e arquitetônico numa reportagem feita em vários estados brasileiros. Denunciou a interrupção de várias obras de mobilidade urbana, que deveriam estar prontas para a Copa do Mundo de 2014. É a repórter mais escalada para ouvir artistas e celebridades, inclusive internacionais, como o estilista da Chanel, Karl Lagerfeld, o ator Willem Dafoe, o diretor Hector Babenco, Roberto Carlos, Emerson Fittipaldi, Zezé di Camargo e Luciano, Chitãozinho e Xororó, Leonardo, Luan Santana, Ivete Sangalo, Juliana Paes, Sandy, Anitta, Nicette Bruno, príncipe Albert de Monaco, Tony Ramos, entre muitos outros.

Continua apresentando o Jornal Nacional aos sábados e feriados.

Em agosto de 2013, Carla apresentou ao lado de William Bonner, pela segunda vez na historia, o JN Especial: Criança Esperança.

Além do francês, Carla fala inglês, alemão e italiano, idioma estudado na própria Itália, onde morou por dois anos nos anos 90. É repórter e editora de texto das próprias matérias. Desde junho de 2016, tem um blog próprio de estilo de vida, www.carlavilhena.com.br , em que todos os textos são de sua autoria.