Llicenciada en dret per la Universitat de Barcelona, amplià estudis a les universitats Victoria de Manchester, Osgoode Hall Law School de Toronto, Kingston de Londres i Laval de Mont-real.
Fou professora de dret constitucional a la Universitat de Girona. Militant de les Joventuts Socialistes des del 1989 i membre del Partit dels Socialistes de Catalunya des del 1994, l’any 2000 passà a formar part de la comissió executiva. Elegida regidora de la seva ciutat, del 1999 al 2003 en fou primera tinenta d’alcalde i, des d’aquest darrer any, novament regidora.
Fou també observadora internacional de l’OSCE a Bòsnia i Hercegovina (1996-97) i secretària de Cultura de la Comissió Executiva Federal del PSOE. En les eleccions del 2004 fou elegida diputada al Congrés, del qual fou nomenada vicepresidenta primera. Abandonà aquest càrrec el juliol del 2007 quan, arran d’una remodelació ministerial, el president del govern espanyol José Luis Rodríguez Zapatero la designà ministra d’Habitatge.
Fou elegida diputada com a cap de llista del PSC per Barcelona en les eleccions del 9 de març de 2008, convocatòria en la qual aquest partit obtingué 25 diputats, i el mes següent Rodríguez Zapatero la designà ministra de Defensa del nou govern socialista, càrrec que ocupà fins el 2011. El juliol del 2008 fou escollida vocal de l’executiva del PSOE. Novament cap de llista per Barcelona en les eleccions generals del 20 de novembre de 2011, passà a l’oposició. El febrer del 2012 disputà infructuosament la secretaria general del partit a Alfredo Pérez Rubalcaba en el 38è Congrés del PSOE.
L’agost del 2013 renuncià l’escó al Congrés i el juliol del 2014 passà a formar part de l’executiva federal del PSOE encapçalada pel nou secretari general, Pedro Sánchez. Fou per tercer cop cap de llista del PSC-PSOE en les eleccions del 20 de desembre de 2015, en les quals fou elegida diputada al Congrés, però renuncià a presentar-se a les eleccions anticipades del 6 de juny de 2016. Els anys 2014-16 ocupà la secretaria de Relacions Internacionals del PSOE. Defensà públicament la sentència del Tribunal Constitucional contra l’Estatut d’Autonomia de Catalunya del 2006 i, davant el creixement de l’independentisme català dels anys posteriors, se significà per l’oposició rotunda a la celebració d’un referèndum d’autodeterminació. El maig del 2017 li fou concedida de la Creu de Sant Jordi a títol pòstum. L’any 2019 es creà la Fundació Carme Chacón contra les cardiopaties congènites, destinada sobretot a formar metges per a operar aquesta malformació en infants de països amb poc recursos. Carme Chacón estava afectada per aquesta malaltia, que fou causa de la seva mort.