くまの幼稚園、区立大宮小学校、区立大宮中学校、多摩大学附属聖ヶ丘高等学校卒業。小学校5年生のときからモデルを始め、1986年、NHKの『テレビの国のアリス』のヒロイン役で女優デビューする。第24回ゴールデンアロー賞 放送・新人賞を受賞。以降、「国民的美少女」を謳い文句に、世に言う美少女ブームを巻き起こした。映画出演作に『男はつらいよ』（松竹）、『ラブストーリーを君に』、『ガラスの中の少女』、『シティーハンター』などがある。前者は五度に渡り同役で出演し、実現しなかった第49作『男はつらいよ 寅次郎花へんろ』にも出演が予定されていた。1995年にフランス人F1レーサーのジャン・アレジと交際を始める。当時アレジには既に妻子があったが離婚調停中であり、その後前妻とは離婚が成立。96年には渡仏しアレジと同居を始める。現在もアレジとの婚姻手続きはとっておらず、「事実婚」の夫婦であるがヨーロッパでは比較的事実婚の夫婦が多い。ジャン・アレジは前妻との間に1人、後藤との間に3人の実子がいる。渡仏後は妻としてまた子育てを重視しており、年に1〜2本のCM出演や女性ファッション誌の表紙モデルなどを中心に活動している。また女優業からは一線を退き、映画やドラマでの復帰は無いとしている。現在はスイス・ジュネーヴにある歴史的な城を改築し在住しているが、パリやニューヨーク、モナコなどにも邸宅を所有している。クルマ好きでも知られ、かつてはクーペ・フィアットを自ら運転し、自身の20歳の誕生日には、150台のみ生産され現在は極めて希少価値が高いディーノ206GTを購入した。2012年1月には事務所の後輩である武井咲と対面し話題を呼んだ(なお、武井自身はこの対面を“夢の対面”と感じたという)。愛称の「ゴクミ」は1987年の新語・流行語大賞の流行語部門で銅賞に選ばれる。2018年10月31日、23年ぶりに女優復帰を発表。2019年12月公開の映画「男はつらいよ」シリーズ50作目でスクリーン復帰。
6歳の頃からギターを始め、ハイスクール時代にはブルース・ギタリストのB.B.キングやジャズ・サックス・プレーヤーのジョン・コルトレーンに影響を受け、ジャズを演奏し始める。スリム・エドワーズやジョー・パスに師事した。1966年から1968年までL.A.ハーバー・カレッジ、1968年から1970年をロングビーチ州立大学で音楽を専攻した。サンディエゴで開かれた南カリフォルニア・ビッグ・バンド・コンテストで最優秀ソロイスト賞を受賞し、1968年にファースト・アルバム「With a Little Help from My Friends」をリリース。その後もソロでの経歴を重ね、1971年から1976年までジャズ・ロック・グループ、ザ・クルセイダーズに参加する。1977年にはワーナー・ブラザース・レコードと契約し、1978年から1984年に掛けて、6枚のソロ・アルバムを制作した。その楽曲と演奏に対し、4つのグラミー賞を受賞している。1970年代には、ロサンゼルスでセッション・ミュージシャンとしても活躍し、スティーリー・ダンやジョニ・ミッチェルも含む多数のアルバムに参加している。ローリング・ストーン誌のベスト・ギター・ソロに関する投票では、"Kid Charlemagne"(スティーリー・ダンのアルバム、The Royal Scamに収録)でのプレイが第3位に選ばれている。1985年には、アコースティック・ジャズ・アルバム制作のために、MCAレコードと契約した。その成果が、アルバム「Alone, But Never Alone」である。この年から1990年の間、カールトンは様々なソロ・プロジェクトで活動し、再度グラミー賞を受賞している。しかし、アルバム「On Solid Ground」制作中の1988年4月、"Room 335"（南カルフォルニアにある自宅のプライベート・スタジオ）の外にいた青年に銃撃される事件が起きた。幸い一命はとりとめたものの、この銃撃により彼の声帯は破壊された上、左腕にも麻痺が残り、発声をしたりギターが演奏できるようになるまでには半年以上を要したほどの重傷であった。彼自身も重大な精神的外傷を負ったが、徹底的な治療とポジティブな持ち前の精神力で、最終的にはこのアルバムを完成させ、1989年に発表した。1991年からはブルース・アルバムのレコーディングを開始するが、ジャズ制作のオファーがあったため、制作は遅れることとなった。このブルース・アルバム「Renegade Gentleman」は、最終的には2年後の1993年にリリースされた。1994年から1997年に掛けて多くのツアーに参加し、また、1995年にリー・リトナーとのデュエット・アルバム「Larry & Lee」をリリースした。1997年からはリトナーに代わり、スムーズジャズグループであるフォープレイに参加。リトナーと違い、それまであまり他のメンバーとのセッションが無かったため、参加当初は従来からのブルース志向に拍車が掛かるなど、グループ内での音楽性の違いがやや見受けられた。しかし、活動を続けるに従い、双方にリトナー時代と違った融合が生まれた新フォープレイの確立に成功し、ソロ活動においてもフュージョンとブルースをより上手く融合した、新しいカールトン・ミュージックを確立した。1999年、ブルーノート東京の企画でTOTOのスティーヴ・ルカサーとアジアツアーを行い、その模様を収録した『No Substitutions - Live In Osaka』を2001年にリリースしヨーロッパと日本でツアーを行った。このアルバムは翌年第44回グラミー賞で最優秀インストゥルメンタル・ポップ・アルバム賞を受賞した。また2015年にも再びアジアツアーが行われた。2003年には、10年ぶりとなる全編ブルースとなるアルバム「Sapphire Blue」をリリース。彼自身の原点回帰を行っている。当時所属していたフォープレイが、BMGのアリスタ傘下のブルーバード・レコードに移ったことにより、カールトンも移籍、2005年に「Firewire」を発表。現在は、メジャー・レーベルから離れ、自主レーベル335レコードを創設、2007年に自己のヒット曲をリテイクしたGreatest Hits Records Vol.1をリリースしている。2010年にはソロ活動に従事する為、フォープレイを脱退。6月に、B'zのギタリスト松本孝弘との共作「TAKE YOUR PICK」をリリースし、日本ツアーを行い（その後台湾、香港で追加公演）、このアルバムは翌年第53回グラミー賞で最優秀インストゥルメンタル・ポップ・アルバム賞を受賞した。