Carolina naik ke karir tertinggi no.2 di peringkat dunia pada 2 April 2015.
Pada 5 April 2015, Carolina Marín memenangkan gelar Super Series Premier keduanya, mengalahkan juara Olimpiade Li Xuerui untuk kedua kalinya berturut-turut di Malaysia Open 2015 dengan skor 19–21, 21–19, 21–17.
Pada 16 Agustus 2015, ia mempertahankan gelarnya di Kejuaraan Dunia dengan mengalahkan Saina Nehwal dari India pada 21-16, 21-19.
2015 adalah tahun emas bagi Carolina Marín di mana selain mempertahankan gelar Kejuaraan Dunia, dia juga memenangkan gelar Super Series lainnya seperti Australia Open 2015, Prancis Open 2015, dan 2015 Hong Kong Open.
2016
Pada 19 Agustus 2016, ia memenangkan medali emas dengan mengalahkan P.V Sindhu dari India di final tunggal di Olimpiade Musim Panas 2016 di Rio, Brasil dengan skor 19–21, 21–12, 21–15.
Arena indoor di Huelva dinamai sesuai dengan kehormatannya, dengan Marín sendiri menghadiri pelantikan.
2017
Pada 2017, Carolina Marín memenangkan gelar Japan Open Superseries setelah mengalahkan He Bingjiao dari Cina di final.
Di Hong Kong Open, yang berlangsung akhir November 2017, Marín pensiun dari Michelle Li, kalah 21–19, 13–21, 8–11, karena cedera pinggul yang dideritanya selama pertandingan.
Marín kemudian mengumumkan di Twitter dan Instagram bahwa, karena cedera pinggulnya, ia tidak akan berpartisipasi dalam musim yang mengakhiri Final Dubai World Superseries Finals.
2018
Pada 29 April 2018, ia memenangkan gelar Kejuaraan Eropa keempat berturut-turut di Huelva 2018 Kejuaraan Eropa yang diselenggarakan di Huelva, Spanyol, dengan mengalahkan Evgeniya Kosetskaya dengan Skor 21–15, 21–7.
2019
Pada tanggal 27 Januari 2019, Carolina Marin mengalami kerusakan ligamentum anterior cruciate (ACL) yang pecah selama final Master Dihatsu Indonesia 2019 melawan Saina Nehwal dari India, ketika ia unggul 10-3 dari Saina.