Jornalista formada pel FACHA (Faculdades Integradas Hélio Alonso). Começou no jornalismo 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. Desde 2000 apresenta o Jornal Nacional aos sábados.
Em 2001 assumiu a bancada do Jornal Hoje, ao lado de Carlos Nascimento.
Atualmente, Carla Vilhena divide a bancada do SPTV primeira edição com o Jornalista Chico Pinheiro.