Шолбан Кара-оол родился 18 июля 1966 года в селе Чодураа Улуг-Хемского района Тувинской АССР в интеллигентной семье обществоведов. Отец был директором школы, а потом и совхоза. Мать – учительница родного языка, обществовед-историк, активист женского движения.
Семья много переезжала по Тыве. Когда маленькому Шолбану было пять лет, они переехали в Кызыл-Даг Чаа-Хольского кожууна, где отучился до второго класса. Потом переехали в Элегест Тандинского кожууна, отец работал там председателем сельсовета. Далее переехали в Кызыльский кожуун – в Черби, где учился в шестом классе. Окончил школу в Зубовке (Бурен-Хеме) Каа-Хемского кожууна с золотой медалью – первая в истории школы.
С июня по август 1983 года был спортивным инструктором Суг-Бажынской средней школы Каа-Хемского кожууна.
С 1986 по 1988 года проходил срочную службу в рядах Советской армии. Служил в Коми АССР, в Печоре, в ракетных войсках. Через полтора года службы, в 1987 году направили в Сары-Шаган, Кушку, Афганистан.
Окончил философский факультет УрГУ в 1990 году по специальности «философ-политолог, преподаватель социально-политических наук в высших учебных заведениях», в 1993 году — очную аспирантуру Уральского государственного университета по специальности «социология». С 1989 по 1990 год работал стажером-преподавателем Дальневосточного государственного университета.
С 1996 по 1998 год — заместитель председателя Фонда помощи семьям погибших, инвалидам и ветеранам войны в Афганистане.
В апреле 1998 года был избран депутатом, затем — председателем Верховного Хурала Республики Тыва. С 1998 года по должности входил в состав Совета Федерации, являлся заместителем председателя Комитета по международным делам. В декабре 2001 года сложил полномочия члена Совета Федерации в связи с избранием его представителем от Верховного Хурала Республики Тыва в соответствии с новым порядком формирования Совета Федерации, затем избирался депутатом Верховного Хурала Республики Тыва третьего созыва.
17 марта 2002 года баллотировался на выборах Главы Республики — Председателя Правительства, набрал 22 % голосов и уступил победу бывшему президенту Тывы Ооржаку Шериг-оолу (53 %). В дальнейшем занимал пост первого заместителя Председателя Правительства Республики Тыва, а затем, с сентября 2003 по январь 2005 года — министра торговли, бытового обслуживания и развития предпринимательства Республики Тыва.
В апреле 2007 года Президент России Владимир Путин внёс на рассмотрение парламента Республики Тыва кандидатуру Шолбана Кара-оола для наделения его полномочиями председателя правительства республики Тува. 6 апреля Великий Хурал Тувы утвердил Кара-оола в должности. Инаугурация состоялась 18 мая 2007 года.
Одним из первых шагов Шолбана Кара-оола на этом посту была полная реабилитация основоположника тувинской государственности Буяна-Бадыргы (Указ Главы Тувы Шолбана Кара-оола от июля 2007 г.). В течение несколько лет был разработан и реализован проект по возведению памятника Буяну-Бадыры, 6 сентября 2014 года состоялось торжественное открытие памятника, установленного у здания Национального музея республики, в год празднования 100-летия единения Тувы и России, проходивших в Кызыле с участием Президента Владимира Путина.
Срок полномочий истекал в апреле 2012 года. По действующему законодательству партия «Единая Россия» предложила президенту России Дмитрию Медведеву три кандидатуры на должность руководителя республики на следующий пятилетний срок: Шолбана Кара-оола, председателя парламента Тувы Даваа Кан-оола и главу Кызыла Виктора Тунева. Дмитрий Медведев выбрал Шолбана Кара-оола и 25 февраля 2012 года внёс его кандидатуру на рассмотрение депутатов парламента для продления его полномочий. 2 марта Верховный Хурал (парламент Тувы) утвердил кандидатуру Кара-оола единогласно — её поддержали все 29 голосовавших депутатов.
Инициирует ряд губернаторских проектов, призванные решать самые актуальные и острые проблемы современной Тывы.
23 мая 2016 года подал в отставку по собственному желанию, которая была принята Президентом России. В тот же день Указом Владимира Путина назначен временно исполняющим обязанности Главы Республики Тыва до вступления в должность лица, избранного Главой Республики Тыва.
C 22 сентября 2016 по настоящее время — Глава Республики Тыва.