Carla Diaz começou sua carreira na publicidade aos 2 anos de idade. Em 1994 participou da telenovela "Éramos Seis", interpretando Eliana, filha de Lili. Logo em seguida, fez participações especiais em "Colégio Brasil" e "O Amor Está no Ar", dando vida às versões infantis de personagens em flashbacks. Seu reconhecimento nacional veio em 1997, na novela infanto-juvenil "Chiquititas", onde interpretou a pequena Maria por três temporadas até o final de 1999.

Em 2000, mudou-se para a Rede Globo, destacando-se em "Laços de Família" como a doce Rachel, seguido por um papel de destaque em "O Clone" como Khadija Rachid, filha da protagonista Jade (interpretada por Giovanna Antonelli) no ano seguinte. Carla também brilhou em minisséries como “A Casa das Sete Mulheres” (2003), onde interpretou Angélica, uma jovem guerrilheira. Em 2004, apresentou os “Melhores do Ano” da Academia Brasileira de Letras. Nos anos seguintes, participou de produções como “Sítio do Picapau Amarelo” e “A Grande Família”. Nos palcos, Carla fez mais de 11 espetáculos. Após uma pausa em novelas, voltou em 2007 em "Sete Pecados". Em 2009, assinou contrato com a RecordTV e se destacou na trilogia "Os Mutantes", especialmente na terceira novela "Promessas de Amor".

Carla continuou a diversificar seu talento ao longo dos anos, com destaques em produções como "Rebelde" (2011), "Plano Alto" (2014), "A Terra Prometida" (2016) e "A Força do Querer" (2017), onde interpretou personagens marcantes. Mais recentemente, participou do reality "Big Brother Brasil" em 2021, e estrelou os filmes biográficos "A Menina que Matou os Pais" e "O Menino que Matou Meus Pais", recebendo elogios por sua atuação como Suzane von Richthofen.

Em 2023, Carla conquistou o segundo lugar na vigésima temporada do reality "Dança dos Famosos", demonstrando sua versatilidade também no mundo da dança. Além disso, participou da trilogia "A Confissão", baseada no caso Richtofen, e estrelou na comédia romântica "Rodeio Rock", ao lado de Lucas Lucco.