Vor ihrem Doktorat in historischer Musikwissenschaft studierte Carolin Stahrenberg an der Hochschule für Musik, Theater und Medien (HMTM) sowie der Universität Hannover Schulmusik und Germanistik und schloss diese Studien mit dem Zweiten Staatsexamen ab. 2011 wurde sie mit einer Arbeit zur populären Musik im Berlin der Weimarer Republik zum Dr. phil. promoviert.
Bereits während der Promotion arbeitete Stahrenberg als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Forschungszentrum Musik und Gender (fmg) der HMTM Hannover unter der Leitung von Susanne Rode-Breymann, anschließend war sie am Zentrum für Populäre Kultur und Musik in Freiburg/Brsg. (ehemals: Deutsches Volksliedarchiv), an der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt im Studiengang Angewandte Musikwissenschaft sowie am Institut für Musikwissenschaft der Universität Innsbruck tätig. Lehraufträge führten sie außerdem an die Universität Basel (Populäre Musik), sowie die Universität Salzburg/Universität Mozarteum Salzburg (Kooperationsschwerpunkt Wissenschaft und Kunst.
Stahrenberg forschte zur Musikkultur der Weimarer Republik, zum populären Musiktheater sowie in eigenen Drittmittelprojekten zu emigrierten Musikpädagoginnen und -pädagogen. In diesem Zusammenhang führten sie Forschungsaufenthalte und Gastvorträge u.a. nach London, Kolumbien und Berkeley/San Francisco. Zu ihren Veröffentlichungen zählen neben der Dissertation Herausgeberbände zu Im weißen Rößl. Kulturwissenschaftliche Perspektiven sowie zur Rezeptions- und Berufsgeschichte von Geigerinnen, außerdem zahlreiche wissenschaftliche Aufsätze und Lexikonartikel. Hinzu kommen Programmheftbeiträge u.a. für Opernhäuser und die Salzburger Festspiele.
Neben der wissenschaftlichen Tätigkeit musizierte Carolin Stahrenberg lange aktiv als Mitglied im Jungen Philharmonischen Orchester Niedersachsen und im Jungen Vokalensemble Hannover, Ensembles, mit denen sie Konzertreisen und Wettbewerbe im In- und Ausland absolvierte. Die dortigen Erfahrungen münden in eine Reflexion von Musik als kulturellem, kommunikativem und gesellschaftlichem Handeln sowie das Nachdenken über die Eingebundenheit von Musiker*innen in gesellschaftliche Kontexte – sowohl in historischer als auch aktueller Perspektive.
