Nació en Hanover en una familia numerosa de músicos,no recibió una educación formal, ya que su madre pensaba que solo debía recibir la formación suficiente para ser una buena ama de casa y cuidar de sus hermanos y hermanas.Dos de sus hermanos, William y Alexander, eran músicos en Inglaterra y cuando Carolina tenía 22 años se fue con ellos para estudiar canto.Fue la Primer mujer en descubrir un cometa en 1786. Durante su vida descubrió 7 más.Fue tambien la primera mujer astrónoma importante.Era ella la que realizaba los cálculos matemáticos y pulía las lentes de los telescopios de su hermano William. En 1783 descubrió la Nébula Andrómeda y a Cetus y añadió 14 nébulas a la lista de las descubiertas. Descubrió en 1818 el planeta Urano. Trabajó para el rey Jorge III de Inglaterra. Sus últimas décadas organizó y preparó los 8 volúmenes del libro de su hermano ya muerto, Book of Sweeps y Catálogo de 2,500 Nébulas, para su sobrino John Herschell quien continuó el trabajo de su padre. En 1828, Caroline publicó el catálogo de 1,500 Nébulas descubiertos por los Herschels, por lo que la Sociedad Astronómica Royal le dió una medalla de oro. Cuando tenía 85 años la nombraron Miembro Honorario de la Sociedad Astronómica Royal, ella y Mary Somerville fueron las primeras en Inglaterra en tener ese titulo. La Academia Irlandesa Real le otorgó el mismo título y a los 96 años el Rey de Prussia le dió una medalla de oro en las ciencias. Murió el 9 de enero de 1848.
