В 1984 Блекберн і Грейдер відкрили фермент теломеразу і довели, що ряд спадкових захворювань має своє походження в його дефектах. 1987 року К. Грейдер захистила в Каліфорнійському університеті в Берклі докторську дисертацію з молекулярної біології. З 1997 року вона працювала в Університеті Джона Хопкінса в Меріленді, де очолювала молекулярно-біологічні та генетичні дослідження. У 2009 році Керол Грейдер спільно з Елізабет Блекберн та Джеком Шостаком отримала Нобелівську премію з фізіології або медицини за роботи в галузі дослідження механізмів старіння клітин та захисту хромосом від деградації за допомогою теломер та ферменту теломерази.
Грейдер має дислексію і стверджує, що «її компенсаторні навички також зіграли роль у моєму успіху як вченого, тому що потрібно інтуїтивно розуміти багато різних речей, що відбуваються одночасно, і застосовувати їх до певної проблеми».
Спочатку Грейдер відчувала труднощі у вступі до аспірантури через низькі показники GRE в результаті її дислексії. Грейдер подала документи до тринадцяти ЗВО, але її прийняли лише до двох - Каліфорнійського технічного університету та Університету Каліфорнії в Берклі. Вона обрала Берклі, де змогла працювати з Елізабет Блекберн, разом з якою вони зробили своє відкриття теломерази.