10 listopada 1816 poślubiła cesarza Austrii – Franciszka II (1768–1835). Para nie miała dzieci. Karolina oddała się więc pracy na rzecz ubogich. Budowała ochronki, szpitale i mieszkania dla biednych. Muzeum w Salzburgu nosi jej imię.
Po śmierci męża przeniosła się do Salzburga i mieszkała u swojej przyrodniej siostry arcyksiężnej Zofii – żony arcyksięcia Franciszka Karola. Opiekowała się dziećmi Zofii. A także, jako jedna z nielicznych członków rodziny cesarskiej, zaprzyjaźniła się z cesarzową Elżbietą.
