Nascida em Lisboa a 22 de Abril de 1924, filha do escritor José Sarmento e irmã do actor António Sarmento, Carmen Dolores cedo se dedicou ao teatro. A sua estreia foi, no entanto, no cinema, em 1943, no filme de António Lopes Ribeiro, Amor de perdição, interpretando a figura de Teresa de Albuquerque. Dois anos mais tarde, iniciou a sua carreira teatral, ingressando na companhia Os Comediantes de Lisboa, desempenhando o papel de Agathe em A mensageira dos deuses, de Jean Giraudoux (Electra na versão original). Em 1946 e 1947, já consagrada nos primeiros lugares entre os artistas da sua geração, participou em Pétrus (Pedro Feliz), de Marcel Achard, e em O cadáver vivo, de Tolstoi.

Na década de 50, fez parte do elenco do Teatro Nacional D. Maria II, representando vários papéis de relevo em: Sonho de uma noite de verão (1952), de Shaskpeare; Castelos no ar (1953), de Jean Anouilh; Frei Luis de Sousa (1954), de Almeida Garrett; Astúcias de Scapin (1956), de Moliére; Para cada um sua verdade (1957), de Pirandello, e D. Inês de Portugal (1957), de Alejandro Casona. Na temporada de 1958-59, distinguiu-se pelas suas notáveis interpretações no Teatro Avenida em O gebo e a sombra, de Raul Brandão, e em Seis personagens sem autor, de Pirandello. Em 1959-60, integrou o Teatro Nacional Popular, cuja companhia era dirigida pelo actor Francisco Ribeiro (Ribeirinho), tendo sido protagonista em peças como Lucy Brown, de J. P. Aumont e Amor de Dom Perlimplim com Belisa no seu jardim, de F. Garcia Lorca.

Foi fundadora, em 1961, do Teatro Moderno de Lisboa, juntamente com Rui de Carvalho, Rogério Paulo e Armando Cortez, salientando-se o seu desempenho em: O Tinteiro, de Carlos Muñiz; Três chapéus altos, de Miguel Mihura; Dia seguinte, de L. F. Rebello; Dente por dente, de Shakespeare. Este grupo dissolveu-se em 1965, dedicando-se a actriz a pequenas participações em televisão. Em 1969, volta ao palco como protagonista em Dança de morte, de Strindberg, na Casa da Comédia. No mesmo ano, no Teatro Laura Alves, interpreta a primeira figura feminina em Forja, de Alves Redol. Mais tarde, em 1975, na Casa da Comédia sob a direcção de João Lourenço, representa em As espingardas da mãe Carrar, de Bertold Brecht. Deste autor, sob a mesma direcção, no Teatro Aberto, voltou à cena em 1977 com O círculo de giz caucasiano. Ausente do país durante vários anos, regressou aos palcos portugueses em 1983 com a peça Comédia à moda antiga, de Alexei Arbouzov, dirigida por Jorge Listopad, cujo trabalho lhe valeu o Prémio Eles e Elas. Dois anos mais tarde, na Sala Experimental do Teatro D. Maria II, fez parte do elenco da peça Virgínia, de Edna O'Brien produzida pelo Teatro Experimental de Cascais e encenada por Carlos Avilez, tendo recebido o Prémio da Crítica. Juntamente com Mário Viegas, na Companhia Teatral do Chiado, em 1991, trabalhou nas peças A última Bandana de Krapp e Balanceada, ambas de Samuel Beckett. No ano seguinte voltou ao Teatro Experimental de Cascais em Espectros, de Ibsen, um autor raramente representado em Portugal.