Ihre Mutter ist ebenfalls Pianistin und Lehrerin; ihr Vater Pilot. Bereits in jungen Jahren nahm Carlton Ballettunterricht. Im Alter von 14 Jahren begann sie eine Tanzausbildung an der "School Of American Ballet" in New York. Das Training war ihr jedoch auf Dauer zu hart, deswegen beschloss sie nach erfolgreichem Abschluss der Ausbildung, lieber Sängerin und Songschreiberin zu werden.

Zu Beginn ihrer Karriere im Alter von 17 Jahren arbeitete sie in New Yorker Stadtteil Manhattan als Bedienung. Zusätzlich trat sie dort in verschiedenen Clubs auf und führte dort ihre selbst geschriebenen und komponierten Lieder auf.

Ihr sehr erfolgreiches Debütalbum "Be Not Nobody" wurde 2002 veröffentlicht und erreichte den Platinstatus. Es beinhaltete unter anderem die Auskopplungen "Ordinary Day" und "A Thousand Miles", welche ihr 2003 sogar eine Nominierung für den Grammy Award für die Single des Jahres einbrachte.

2003 wurde "Rinse" auf dem Soundtrack zur TV-Serie Charmed veröffentlicht.

Das neue Album "Harmonium", dessen Erfolg bei weitem nicht an ihr Debüt heranreichte, erschien im Oktober 2004. Die Single "White Houses" wurde als erstes daraus ausgekoppelt. Im dazugehörigen Video ist Carlton als Balletttänzerin zu sehen.

Derzeit lebt Vanessa Carlton zusammen mit ihrem Hund Viktor in New York.

Ihr drittes Album mit dem Titel "Heroes & Thieves" wurde am 09. Oktober 2007 veröffentlicht. Neben dem gleichnamigen Track "Heroes & Thieves" befinden sich auf dem Longplayer u.a. noch die bereits im Jahr 2005, live vorgestellten Stücke "Put Your Hands on Me" (Albumtitel: "Hands on Me"), "Best Behavior" und "All Is Well" sowie "This Time" (co-written von Linda Perry).

Die Vorab-Single "Nolita Fairytale" wurde am 17. Juli 2007 an U.S. Radiosender verschickt und ist seit diesem Tag über den iTunes Store erwerblich. Das Video zu "Nolita Fairytale" wurde am 28. Juli 2007 in der Lafayette Street und Bond Street im New Yorker Bezirk Nolita (Abk. für North of little Italy) gedreht.