Après de brillantes études musicales, élève de Mireille Alcantara et ayant bénéficié des conseils de Régine Crespin, Karine Deshayes rejoint tout d’abord la troupe de l’Opéra de Lyon où elle interprète entre autre Cherubino, Stéphano et surtout son premier rôle rossinien, Rosina.
Sa carrière se développe alors rapidement. Elle est invitée sur toutes les grandes scènes françaises, Avignon, Lyon Strasbourg, Marseille, Toulouse, Tours, Chorégies d’Orange, Bordeaux… et régulièrement à l’Opéra de Paris où elle remporte de grands succès dans les rôles rossiniens, Angelina, Rosina, Elena, mais également Poppea dans L’Incoronazione di Poppea de Monteverdi, Sesto (Giulio Cesare de Haendel), Romeo (I Capuleti e I Montecchi) et les rôles mozartiens, Cherubino, Dorabella. C’est également à l’Opéra de Paris qu’elle aborde pour la première  fois le rôle de Carmen et qu’elle y reprend celui de Charlotte dans Werther.
La carrière de Karine Deshayes s’ouvre également sur les grandes scènes étrangères, entre autres le Festival de Salzbourg (Die Zauberflöte sous la direction de Ricardo Muti), le Teatro Real de Madrid, le Liceu de Barcelone (le rôle-titre Cendrillon de Massenet). Elle est invitée par le Metropolitan Opera de New-York où elle débute dans le rôle Siebel, avant d’y retourner pour Isolier dans le Comte Ory et plus récemment, Nicklausse dans les Contes d’Hoffmann dirigés par James Levine où elle est particulièrement remarquée par la critique New-Yorkaise, puis c’est le rôle d’Angelina dans la Cenerentola qu’elle interprète avec succès à l’Opéra de San Francisco.
Par la suite, elle chante pour la première fois le rôle de Donna Elvira à l’Opera de Paris, rôle où elle s’impose, le public et la critique sont unanimes. En concert, elle incarne magnifiquement Elisabetta dans Maria Stuardade Donizetti à l’Opéra d’Avignon.

Elle vient de reprendre avec beaucoup de succès le rôle d'Adalgisa (Norma) au Teatro Real de Madrid, ainsi que celui de Charlotte (Werther) au Tchaikovsky Concert Hall de Moscou.
Le vaste répertoire de Karine Deshayes lui permet de se produire régulièrement en concert et en récital sous la direction de chefs tels que Emmanuel Krivine, David Stern, Kurt Masur, Emmanuelle Haïm, Louis Langrée, Myun-Whun Chung et avec des artistes tels que Philippe Cassard, Renaud Capuçon, Nicolas Angelich, l’Ensemble Contraste, le Quatuor Ebène, le Mahler Chamber Orchestra … 
Pour la seconde fois, Karine Deshayes a été nommée Artiste Lyrique de l’année aux Victoires de la musique en 2016

Parmi ses projets,  le rôle titre d'Armida  de Rossini à l'Opéra National de Montpellier, Romeo (Capuleti e Montecchi) à l’Opéra de Marseille, Alceste à l’Opéra National de Lyon, ainsi que de très nombreux concerts et récitals…