Corinne Masiero embrasse tardivement le milieu de la comédie. Après avoir fait plusieurs petits boulots, elle met un premier pied dans le métier à 28 ans, en intégrant une troupe de théâtre. Ses premiers rôles sont dans les pièces de Georges Feydeau et les adaptations de Rainer Werner Fassbinder.
Ses premiers petits rôles au cinéma, dans Germinal de Claude Berri (1993), puis La Vie rêvée des anges d'Érick Zonca (1998), la propulsent dans un autre monde. Pour la suite de sa carrière, l'actrice privilégie la discrétion, et les rôles modestes de télévision (Ambre a disparu en 2003, Pierre et Jean en 2004). Mais son visage, son phrasé, sa démarche atypique sont remarqués, et elle passe en quelques années de la simple figuration à de solides seconds rôles, que ce soit dans les téléfilms de Thierry Binisti (qui la fait tourner trois fois) ou ceux de Peter Kassovitz : Beau masque en 2005 et Le sang noir deux ans plus tard.
Corinne Masiero apparaît dans L'Emmerdeur de Francis Veber (2008), avant de tourner avec de grands réalisateurs, toujours par le biais de personnages peu importants mais marquants, tels que Xavier Giannoli, pour le remarqué À l'origine (2009), et Patrice Chéreau pour Persécution, aux côtés de Romain Duris. La machine s'emballe alors pour elle, et ses personnages ont désormais des noms. On peut aussi la voir dans la série Engrenages et donnant la réplique à Robinson Stévenin dans la mini-série Les Vivants et les Morts en 2010. Son accent du Nord lui permet de tenir des rôles gouailleurs ; elle apparaît ainsi dans la série Fais pas ci, fais pas ça dans le rôle de la sœur excentrique de Mme Lepic. La consécration arrive en 2012 avec son premier « premier rôle », pour le film Louise Wimmer, rôle sur mesure écrit et réalisé par Cyril Mennegun. Son interprétation est saluée par tous, et elle devient, à 47 ans, l'une des révélations du cinéma français. Une reconnaissance qui lui ouvre les portes d'un autre projet, De rouille et d'os de Jacques Audiard, où elle se retrouve face à une autre révélation, Matthias Schoenaerts. En 2013, elle est nommée au César de la meilleure actrice pour Louise Wimmer.