アメリカ・ペンシルべニア州出身のピアニスト兼シンガーソングライター。パイロットの父親とピアノ教師の母親の元に生まれ、幼い頃から音楽を聴いて育つ。14歳でニューヨークのバレエ団に入学し、名門コロンビア大学へ進学。2001年から音楽活動をスタートさせ、2002年にデビュー・アルバム『ビー・ノット・ノーバディ』をリリースした。

デビュー・アルバムに収録されるリード・シングル「サウザンド・マイルズ」は、美しいピアノの音色と「遠距離恋愛」について歌った歌詞が人々の共感を呼び、世界中で大ヒットを記録。第45回グラミー賞では、主要部門の年間最優秀レコード賞と年間最優秀楽曲賞にノミネートされた。第17回日本ゴールドディスク大賞では、ニュー・アーティスト・オブ・ザ・イヤーを受賞。

2004年に2ndアルバム『ハーモニウム』、2007年に3rdアルバム『ヒーローズ・アンド・シィーヴズ』をリリースし、全米チャートにランクイン。2011年に4thアルバム『ラビッツ・オン・ザ・ラン』と、初のベスト・アルバム『アイコン - ベスト・オブ・ヴァネッサ・カールトン』を発表した。

2015年には5作目となる『リーベルマン』をリリースし、ビルボードのインディペンデント・アルバムチャートにて最高32位を記録。そして2020年3月に最新アルバム『Love Is An Art』をリリース。ヴァネッサが2年かけて手掛けた、渾身のアルバムに仕上がっている。

また、2002年に渋谷公会堂で初来日公演を行い、2018年にはビルボードライブ東京とビルボードライブ大阪で、16年ぶりとなった来日公演を行った。プライベートでは、2013年にバンド「ディアー・ティック」のメンバーであるジョン・マッコーリーと結婚、2015年に女児を出産している。