Vanessa Carlton nació el 16 de agosto de 1980 en Milford, Pensilvania, como la mayor de tres hijos de Edmund «Ed» Carlton, piloto, y Heidi Lee, pianista y profesora de música.^[5]​^[6]​ Tiene una hermana llamada Gwen y un hermano llamado Edmund. Su madre proviene de una familia judía de Queens, Nueva York.^[7]​^[8]​ Su interés por la música comenzó a temprana edad. A los dos años visitó Disneyland y, al regresar a casa, tocó «It’s a Small World» en el piano.^[9]​^[10]​ Desde entonces su madre la instruyó y la introdujo en la música clásica.^[10]​

A los nueve años se apasionó por el ballet y, en 1994, con 14 años, ingresó en la School of American Ballet. Carlton atravesó episodios de depresión y bulimia, y ha hablado públicamente sobre ello.^[11]​ Tras graduarse, empezó a cantar en clubes nocturnos y ganó confianza en el escenario.^[12]​ Más tarde se mudó a Nueva York, donde asistió un año a la Universidad de Columbia antes de abandonar los estudios.^[13]​ Durante ese tiempo también trabajó como camarera en Hell’s Kitchen.^[14]​

Su disco debut Be Not Nobody fue lanzado el 30 de abril de 2002 y, tanto el disco como el primer sencillo promocional A Thousand Miles fueron éxitos comerciales. "Be Not Nobody" alcanzó el puesto 5 entre los discos más vendidos de Estados Unidos y se convirtió en multiplatino y "A Thousand Miles" se mantuvo 25 semanas consecutivas en la lista de las canciones más escuchadas del mundo, alcanzando como punto más alto el puesto 4 en dos ocasiones consecutivas en las semanas terminadas el 31 de agosto y el 7 de septiembre de 2002. "Be Not Nobody" tuvo otros dos sencillos promocionales: "Ordinary Day", que llegó al top 10 de las canciones más escuchadas y "Pretty Baby". Vanessa fue nominada a tres premios Grammy por "A Thousand Miles" en las categorías de "Canción del año", "Grabación del año" y "Mejor acompañamiento instrumental en una canción". Hasta el momento "Be Not Nobody" ha vendido más de 3 millones de copias en el mundo.

A mediados de 2004 se comenzó a escuchar el primer sencillo de su segundo disco, "White Houses", que tuvo un éxito bastante regular. El disco, llamado "Harmonium", lanzado el 9 de noviembre de 2004, debutó en el puesto 33 de la lista de Billboard de los discos más vendidos y se consideró un fracaso comercial. Vanessa colaboró con su novio, el también músico Stephan Jenkins, en la producción de "Harmonium". Stephan coescribió varias de las canciones incluyendo "White Houses". El presidente de la, en ese entonces, compañía discográfica de Vanessa, Ron Fair, describió "Harmonium" así:"Si Be Not Nobody lleva un vestido de gala, Harmonium lleva t-shirt y jeans". Se estima que Harmonium ha vendido alrededor de 250.000 copias en el mundo, A&M Records decidió no lanzar un segundo sencillo para el disco.

Vanessa trabajó en su tercer álbum desde finales del año 2005, en este colabora de nuevo con su novio Stephan Jenkins. Linda Perry coescribió y produjo algunas de las canciones ya grabadas para el mismo. Vanessa firmó un contrato discográfico con Inc. Records, compañía discográfica de Irv Gotti, tras romper relaciones con su anterior compañía A&M Records. El tercer disco lleva por título "Heroes and Thieves" y su primer sencillo es "Nolita Fairytale". "Heroes and Thieves" salió a la venta el 9 de octubre de 2007, y debutó el lista del Billboard 200 en el N.º 44, siendo así su más baja posición en comparación a sus anteriores discos "Be Not Nobody" (2002) en el N.º 05 y "Harmonium" (2004) en el N.º 33. El segundo sencillo de "Heroes And Thieves" es "Hands On Me", Vanessa Carlton comenzó la grabación del video en diciembre, y éste fue estrenado el 15 de febrero de 2008 en Yahoo! En diciembre de 2009, el álbum llevaba vendidas más de 540.000 copias.

Su álbum "Heroes & Thieves" ha sido para los críticos el mejor álbum de Vanessa Carlton, llegando a obtener un 8 de Billboard o del New York Magazine, y un mínimo de 7 según Blender. Su media según metacritics es de 7.90, algo muy poco común en las cantantes de pop, (cuyos álbumes no suelen pasar del 6) y según los usuarios obtendría un 9.

En una entrevista en abril de 2009, Vanessa dijo que tenía a medio camino un nuevo álbum. En algunos de los últimos espectáculos que ha hecho, estrenó tres canciones - "Londres" (la primera canción que escribió para el registro) "Fair-Weather Friends" y el instrumental "Waltz". Vía Twitter, Vanessa anunció que un posible nombre para su próximo álbum podría ser "Tall Tales for Spring" y mencionó que ha estado grabando en el estudio de KT Tunstall's en Londres. También mencionó un coro de niños con sede en Londres que aparecen con ella en su cuarto álbum.

El 9 de mayo de 2010, Vanessa actualizó el título de su próximo disco, que se llamaría Rabbits On The Run. De acuerdo con ella, escogió el título por el simbolismo representado a menudo por los conejos - (hora, deslizamiento, la mente flotante) "- que es algo que ha ido en relación con la vida de Vanessa en los últimos años. También mencionó que el disco está en proceso de estratificación de puesta en onda en las estaciones de radio. Vanessa anunció en su cuenta de Twitter dos nuevas canciones tituladas "Moneymaker" y "I Don't Wanna Be to Be a Bride".

En junio de 2010, en el Festival del Orgullo Gay de Nashville, el cual ella encabezó, atrayendo a más de 18 000 personas. Anunció a la multitud que ella es "una mujer orgullosa bisexual"^{[cita requerida]} antes de que ella cantara "Who's To Say", dedicada a sus fanes gais y lesbianas. También estrenó dos nuevas canciones, tituladas "Tall Tales for Spring"; una antigua canción titulada "Waltz" y "I Don't Wanna Be to Be a Bride".

El primer sencillo del disco, "Carousel", fue estrenado el 3 de mayo de 2011. A través de Twitter, Carlton anunció que su etiqueta produciría un video de "Hear the Bells". El video musical, que se describe como el más revelador de Carlton hasta el momento, fue liberado el 7 de junio de 2012.

El 28 de febrero de 2014, Carlton terminó de grabar el que será su nuevo álbum titulado 'Liberman', compuesto por diez canciones inéditas.

La madre de Carlton la expuso a diferentes compositores clásicos como Mozart y Erik Satie. A través de su padre, que estuvo expuesto a artistas clásicos de rock como Pink Floyd y Led Zeppelin. Como nueva artista, Carlton se comparó con otras cantautoras, como Laura Nyro, Joni Mitchell, Carole King, Fiona Apple, Tori Amos, Sarah McLachlan, Norah Jones, Alicia Keys, Michelle Branch, y Avril Lavigne.

En 2005, Carlton corrió el maratón de Nueva York y donó el dinero recaudado a Musicians on Call, una organización sin fines de lucro que lleva música en vivo y grabada a pacientes hospitalizados.^[15]​ El 19 de junio de 2010 se declaró bisexual durante su presentación como artista principal en el Nashville Pride.^[16]​ «Nunca lo había dicho antes, pero soy una mujer bisexual orgullosa», expresó ante el público.^[17]​

El 9 de octubre de 2013, en un concierto en Bay Shore, Nueva York, anunció que esperaba su primer hijo con su prometido, John J. McCauley III, integrante de la banda Deer Tick.^[18]​ En noviembre comunicó que había sufrido un embarazo ectópico que le provocó la ruptura de una trompa y una hemorragia interna; tras la cirugía, le extirparon la trompa de Falopio derecha.^[19]​ El 27 de diciembre de 2013, Carlton y McCauley se casaron en una ceremonia oficiada por Stevie Nicks.^[20]​

El 26 de junio de 2014 informó a través de Facebook que pospondría el lanzamiento de Liberman hasta el verano de 2015 porque estaba nuevamente embarazada.^[21]​ El 13 de enero de 2015 nació su hija, Sidney Aoibheann Carlton-McCauley.^[22]​

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