Narodila se v Hannoveru 16. března 1750, tj. o dvanáct let později než William. Její otec v ní, stejně jako v ostatních dětech, podporoval lásku k hudbě a také k astronomii. Bohužel zemřel poměrně brzy, když jí bylo sedmnáct let a Caroline musela pomáhat v domácnosti a pečovat o mladšího bratra.
William mezitím působil v Anglii, a protože byl úspěšný, pozval po nějaké době sestru k sobě. Ta pozvání přijala a přes protesty matky se k němu roku 1772 přestěhovala. Zde za bratrovy pomoci studovala astronomii, matematiku, vyučovala hudbu a zpívala na koncertech. Zároveň mu pomáhala s domácností i s astronomickými pracemi. Například se starala o správu hvězdárny nebo zaznamenávala jím napozorované údaje.
Poté, co William objevil roku 1781 planetu Uran a stal se královským astronomem, získali oba sourozenci od krále Jiřího III stálý plat. Caroline proto zanechala své pěvecké kariéry a začala se naplno věnovat astronomii.
Spolu s bratrem stavěla astronomické dalekohledy a samostatně prováděla astronomická pozorování. Používala k tomu menší dalekohled, který ji postavil a věnoval William. Roku 1786 objevila svoji první kometu a v dalších letech stejný úspěch zopakovala ještě sedmkrát. Díky tomu se zapsala do historie jako první žena, jíž se podařilo objevit tento objekt.
Od roku 1796 se zaměřila na kontrolu Flamsteedova hvězdného katalogu a provedla ji opravdu důkladně. Výsledkem byla zpráva, kterou předložila Královské společnosti o dva roky později. Přiložila k ní také seznam více než 500 hvězd, které v katalogu nebyly uvedeny.
Poté, co roku 1822 William zemřel, vrátila se zpět do Hannoveru, a starala se zde o mladšího bratra Dietricha, jenž byl nemocen. Spolu s tím ještě pomáhala Williamovu synovi Johnovi s kontrolou údajů v katalozích jeho otce. Roku 1828 dokončila obsáhlý katalog, jenž obsahoval více než 1 000 dvojhvězd a kolem 2 500 objektů vzdáleného vesmíru. Za tuto práci obdržela zlatou medaili od Královské astronomické společnosti.
John díky svému pozorování z jižní Afriky doplnil a rozšířil katalogy svého otce a završil tak práci nejen jeho, ale i své tety. Toto dílo, pojmenované „Pozorování z mysu“ poslal Caroline roku 1847, jen několik měsíců před její smrtí. Její životní pouť se završila 9. ledna 1848 ve věku nedožitých 98 let.
