Родился 18 июля 1966 г. в с. Чодураа Улуг-Хемского района Тувинской АССР (ныне Республика Тыва).
В 1990 г. окончил философский факультет Уральского государственного университета им. А. М. Горького (в 2011 г. вуз присоединен к Уральскому федеральному университету им. первого президента России Б. Н. Ельцина) по специальности "философ-политолог, преподаватель социально-политических наук в высших учебных заведениях", в 1993 г. – аспирантуру этого университета по специальности "социология".
Кандидат экономических наук. В 2011 г. в Уральском государственном экономическом университете защитил диссертацию на тему "Финансовый менеджмент расходов субфедерального бюджета: на примере Республики Тыва".
В 1983 г. работал спортивным инструктором Суг-Бажынской средней школы Каа-Хемского района Тувинской АССР.
В 1986-1988 гг. проходил срочную службу в Вооруженных силах СССР.
В 1990 г. работал инженером лаборатории экономических исследований Тувинского комплексного отдела Сибирского отделения Академии наук СССР.
С 1993 по 1997 г. – генеральный директор АОЗТ "Кардо" (специализация – розничная торговля) в Кызыле.
В 1996-1998 гг. был заместителем председателя Фонда помощи семьям погибших, инвалидам и ветеранам войны в Афганистане.
В 1998 г. занимал должность генерального директора ООО "Докар" (аренда недвижимости, торговля).
В апреле 1998 г. Шолбан Кара-оол был избран депутатом Верховного хурала (парламента) Республики Тыва II созыва, 30 июня 1998 г. – председателем парламента.
С июля 1998 г. по декабрь 2001 г. являлся членом Совета Федерации Федерального собрания РФ (по должности). В 2000-2001 гг. был заместителем председателя комитета Совета Федерации по международным делам.
В 2002 г. назначен и. о. первого заместителя председателя правительства – министра торговли, бытового обслуживания и развития предпринимательства Республики Тыва.
В 2002 г. Шолбан Кара-оол участвовал в выборах председателя правительства республики (высшего должностного лица региона). По результатам голосования, состоявшегося 17 марта, занял второе место, получив 21,81% голосов избирателей. Победу одержал действующий глава Тывы Шериг-оол Ооржак (53,54%).
С 2003 по 2005 г. занимал должность первого заместителя председателя правительства – министра торговли, бытового обслуживания и развития предпринимательства Республики Тыва.
В 2005-2006 гг. – и. о. заместителя, заместитель председателя правительства Республики Тыва.
8 октября 2006 г. избран депутатом Законодательной (нижней) палаты Верховного хурала республики (в 2002-2010 гг. парламент был двухпалатным) по партийному списку партии "Единство и Отечество" – Единая Россия”.
6 апреля 2007 г. парламент Тывы утвердил Шолбана Кара-оола на посту председателя правительства региона по представлению президента РФ Владимир Путина. В тот же день Кара-оол официально вступил в должность. Сменил на посту Шериг-оола Ооржака.
2 декабря 2007 г. был избран депутатом Государственной думы РФ V созыва по списку "Единой России" (возглавлял региональную группу №17, Республика Тыва). После выборов отказался от мандата.
С ноября 2010 г. занимал должность главы – председателя правительства Республики Тыва (в связи с переименованием должности руководителя региона).
На выборах в Государственную думу РФ VI созыва 4 декабря 2011 г. баллотировался по списку "Единой России" (первый номер в региональной группе №17, Республика Тыва). После избрания отказался от мандата.
2 марта 2012 г. вновь был наделен полномочиями главы – председателя правительства Республики Тыва по представлению президента РФ Дмитрия Медведева. 6 апреля того же года официально вступил в должность.
23 мая 2016 г. президент РФ Владимир Путин принял досрочную отставку Шолбана Кара-оола и назначил его временно исполняющим обязанности главы республики.
18 сентября 2016 г. одержал победу на выборах главы – председателя правительства Тывы, набрав 85,66% голосов (был выдвинут партией "Единая Россия"). Его ближайший соперник, кандидат от КПРФ Сергей Салчак, получил 5%. Шолбан Кара-оол вступил в должность 22 сентября 2016 г.
7 апреля 2021 г. президент РФ Владимир Путин принял досрочную отставку Шолбана Кара-оола с поста главы республики. Врио руководителя Тывы был назначен Владислав Ховалыг, генеральный директор АО "Тываэнергосбыт", бывший мэр Кызыла
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. от партии "Единая Россия" по федеральному округу. Баллотировался под вторым номером региональной группы №5 (Республика Тыва, Республика Хакасия, Красноярский край).
12 октября 2021 г. избран заместителем председателя Госдумы РФ VIII созыва Вячеслава Володина. На посту вице-спикера курирует комитеты по региональной политике и местному самоуправлению, по туризму и развитию туристической инфраструктуры. Отвечает за организацию сотрудничества Госдумы с Парламентской ассамблеей ОДКБ.
28 июня 2022 г. возглавил координацию депутатских групп по взаимодействию с парламентом Луганской Народной Республики.
Член высшего совета партии "Единая Россия".
В 2018-2021 гг. был председателем совета межрегиональной ассоциации экономического взаимодействия субъектов РФ "Сибирское соглашение".
Президент Федерации спортивной борьбы Республики Тыва.
Действительный государственный советник Республики Тыва 1 класса.
Награжден медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2015), орденом Дружбы (2017). Удостоен благодарности президента РФ (2018).
Имеет орден Славы и чести II степени (Русская православная церковь; 2011).
В 2016 г. вышла книга под редакцией И. С. Васильева "Шолбан Валерьевич Кара-оол: биобиблиографический указатель (к 50-летию со дня рождения)".