Karolina Tymińska wurde bei den Jugendweltmeisterschaften 2001 in Debrecen Achte im Siebenkampf. Bei den Halleneuropameisterschaften 2005 in Madrid belegte sie mit 4374 Punkten im Fünfkampf den achten Platz. Im nächsten Jahr konnte sie bei den Europameisterschaften in Göteborg den Siebenkampf nicht beenden und schied im Weitsprung mit 6,34 m in der Qualifikation aus. 2007 belegte sie bei den Halleneuropameisterschaften in Birmingham mit 4494 Punkten den siebten Platz und bei den Weltmeisterschaften in Osaka mit 6092 Punkten Platz 15. 2008 wurde sie bei den Hallenweltmeisterschaften in Valencia mit 4580 Punkten Sechste und bei den Olympischen Spielen in Peking mit persönlicher Bestleistung von 6428 Punkten Siebte. Das Ergebnis der Olympischen Spiele wurde später nach der Dopingdisqualifikation der Russin Tatjana Tschernowa korrigiert und Tymińska rückte einen Platz auf. Im Jahr darauf kam sie bei den Halleneuropameisterschaften in Turin mit 4542 Punkten auf Platz fünf und musste den Siebenkampf bei den Weltmeisterschaften in Berlin vorzeitig beenden. 2010 belegte Tymińska bei den Hallenweltmeisterschaften in Doha mit 4575 Punkten den sechsten Rang, nach der Disqualifikation von Tschernowa rückte die Polin auf den fünften Platz vor. Vier Monate später erreichte sie bei den Europameisterschaften in Barcelona mit 6230 Punkten Rang fünf. Nach der Disqualifikation von Tschernowa rückte sie auf den vierten Platz vor.