卡罗利娜在1752年8月13日生于维也纳，她是奥地利女大公玛丽亚·特蕾西娅和她的丈夫神圣罗马帝国皇帝弗朗茨一世的第十三个孩子和第十个女儿。

卡罗利娜在维也纳的皇宫长大。她的教育和其他兄弟姐妹一样，从小就接受特蕾西娅特别为她的孩子们设计的严格的教育计划。课程安排包括舞蹈课、戏剧表演、历史、绘画、拼写、政府、一点数学和外语学习。女孩们还学习了针线活和谈话技巧。

卡罗利娜在许多方面与她的母亲非常相似，她反抗她的家庭教师尤迪特·冯·布兰迪斯伯爵夫人，并说服她的母亲用沃尔布加·冯·莱兴费尔德伯爵夫人取代她，后者更能够对付这个活泼的女孩并在各方面支持她。她的母亲为她的每个孩子写了许多行为准则，她告诫卡罗利娜：“我无法忘记你的无礼，也不会原谅你。你的声音和说话已经够难听的了。你千万不要提高嗓门。你必须保持头脑清醒，这样才能避免发表不当言论。”

特蕾西娅和她的国务大臣考尼茨追求的目标是包括通过亲属关系改善奥地利与其他国家的政治关系及其在欧洲的地位。为此，特蕾西娅很早就为她幸存的十三个孩子制定了联姻计划。卡罗利娜和她的兄弟姐妹不得不将自己的意愿服从于国家的利益，并与母亲为他们选择的人结婚。男性后裔在分配给他们的角色中表现得出奇的好。然而，法国王后玛丽·安托瓦内特、帕尔马公爵夫人玛丽亚·阿玛莉亚和卡罗利娜这些女儿们在外国宫廷中的表现往往不尽如人意。

约翰娜·加布里埃莱和她的妹妹玛丽亚·约瑟法最初的目的是为了与当时统治法国、西班牙、那不勒斯-西西里和帕尔马的波旁王朝建立进一步的家族联系，即与那不勒斯-西西里国王费迪南多一世联姻。两人分别于1762年和1767年死于天花，于是卡罗利娜代替他们成为费迪南多的新娘。

在那不勒斯-西西里，人们对新王后寄予了厚望。一位奥地利外交官在计划中的婚礼前写下了以下内容：“那不勒斯政党只希望未来的王后陛下能够掌管政府，因为国王陛下缺乏意愿和能力，从而避免这些国家在如此悲惨的情况下彻底毁灭。”

卡罗利娜与那不勒斯-西西里国王费迪南多一世之间的代理婚礼于1768年4月7日在维也纳奥古斯丁教堂举行，由她的弟弟费迪南德·卡尔大公代替新郎。在前往意大利前不久，特蕾西娅给了女儿以下建议：“另一个母亲比我会劝你寻求参与业务，但我太了解它的负担和它所涉及的危险，所以不想把你拉进来。即使国王想让你参与他的政府，让你参与政务，与你商量，你也千万不要对外表现出来。让他在天下人面前感到荣幸，并对他的信任感到满意。”

在特伦托、罗韦雷托、威尼斯、摩德纳、博洛尼亚、佛罗伦萨和罗马逗留后，年轻的王后于1768年5月11日到达丈夫的领地。最后，1768年5月12日，这对新人的婚礼在卡塞塔王宫举行。

在蜜月期间，夫妻之间第一次出现了严重的分歧，而这种分歧会随着年龄的增长而加深。费迪南多与他的妻子为自己作为未来的王后和众多孩子的母亲的角色做了认真的准备不同，他从来没有接受过全面的教育，他在打猎、恶作剧和无节制的饮食中找到了乐趣。最初的不愉快的结合意味着这段婚姻在四年内一直没有孩子，直到1772年才有了第一个孩子。卡罗利娜和费迪南多从未发生过恋情，但随着时间的推移，他们学会了接受共同的命运并建立起对双方都有利的信任关系。卡罗利娜最终在1772年至1793年期间生下了十八个孩子。

虽然卡罗利娜难以适应婚姻生活和那不勒斯宫廷的情况，但她很快就开始质疑这个国家为什么如此落后。那不勒斯-西西里的人民饱受贫困之苦，贵族和神职人员的统治。那不勒斯-西西里国王费迪南多一世因势单力薄，无法摆脱其父西班牙国王卡洛斯三世的政治影响，独立担任那不勒斯-西西里的统治。因此这个国家被越来越多的人利用，有利于西班牙。

卡罗利娜试图通过对那不勒斯-西西里的费迪南多一世及其政府施加越来越多的影响，来促进那不勒斯-西西里的独立并减少其对西班牙的依赖。在她的儿子弗朗切斯科——未来的国王弗朗切斯科一世出生后，卡罗利娜对丈夫的影响变得如此强大，以至于1776年她成功地迫使第一大臣贝尔纳多·塔努奇下台，他在王室委员会中的位置被王后取代。在她的政治活动中，卡罗利娜表现出了她从母亲特蕾西娅那里继承来的两种品质：高智商和野心。她提拔了海军大臣约翰·阿克顿，由于她的斡旋，阿克顿于1784年被任命为第一大臣。卡罗利娜继续执行塔努奇开始的改革政策，限制贵族和神职人员的特权（但没有完全废除），努力使税负分配更加公平，并试图减轻农村的贫困。通过这些措施——以及由于她在政治上的影响“令人发指”——她不仅结交了朋友，而且引起了西班牙、法国以及后来英国的怀疑。拿破仑曾称她为“欧洲最危险的女人”。

当法国大革命爆发时，卡罗利娜担心自己的国家会发生革命，因为人民非常贫穷。1793年她的妹妹玛丽·安托瓦内特和妹夫法国国王路易十六被谋杀后，她在大革命期间对雅各宾派所怀有的同情，变成了对法国新政权的憎恨和厌恶。为此，她参加了1793年的第一次反法联盟，其中还包括英国、奥地利、普鲁士、荷兰、撒丁王国和葡萄牙。在给她的侄子（也是当时的女婿）奥地利皇帝弗朗茨一世（神圣罗马帝国皇帝弗朗茨二世）的信中，她写道，她绝不会遭受安托瓦内特的命运：

“那么，在最坏的情况下，我就会下定决心，把我的七个孩子扔进海里，然后赶紧追上去。我不想成为那些无赖的牺牲品，也不想向任何人乞怜。”

法国大革命虽然没有在那不勒斯-西西里王国引发民众起义，但它鼓励了共和社区的形成，激发了资产阶级的反皇室主义情绪，而保守的农民则大多仍忠于国王。1794年7月，革命的推动者罗伯斯庇尔被推翻并被处决，欧洲的局势似乎有所缓和。在经历了法国大革命最初的恐怖之后，卡罗利娜面临着拿破仑将军带来的新危险。波拿巴在1795年获得了法军在意大利的最高指挥权，作为镇压巴黎保皇党起义的奖励。在吞并了尼斯和萨伏伊，并将王室家族驱逐出伦巴第和托斯卡纳之后，他的军队接近了意大利的南端。卡罗利娜意识到组织不力的那不勒斯军队与装备精良的法国军队之间的战争后果，终于在1797年10月10日同意与法国签订特别和约。

拿破仑把目光投向了那不勒斯-西西里，认为在地中海的统治地位是一个有利的战略地位。1798年，为防患于未然，费迪南多夫妇决定加入第二次反法联盟。同年11月，那不勒斯的一支军队一直推进到罗马；它被法国人击溃。与此同时，拿破仑在埃及沿海的舰队在阿布基尔海战（1798年8月1日）中被英国海军上将霍雷肖·纳尔逊决定性地击败。然而，在陆地上，法国人取得了胜利。让-艾蒂安·尚皮奥内将军于1799年1月占领了那不勒斯。王室已于1798年12月底逃往西西里。在流亡西西里的时候，卡罗利娜关注着那不勒斯的政治发展。

1799年1月24日，法军由肖姆内将军率领在那不勒斯宣布成立帕尔瑟诺佩共和国，帕尔瑟诺佩是那不勒斯的古称，意在表达那不勒斯人民重获自由。共和时期，成立了政府，埃尔科莱-达尼塞当选为总统，宣布新闻自由并为未来的改革做准备。年轻的共和国越来越多地受到皇家军队的困扰，这些军队主要从农民志愿者中招募，即“Armata cristiana e reale”（基督教和皇家军队），又称“Esercito cristiano della Santa Fede”（圣信仰的基督教军队），由红衣主教法布里齐奥·鲁福领导。仅仅过了5个月，1799年6月13日，在皇家军队入侵那不勒斯之后，帕尔瑟诺佩共和国结束。共和国的崩溃也是由于英国舰队为皇家军队提供了武器。尼尔逊上将再次帮助那不勒斯-西西里摆脱了法国人的控制，并为王室夫妇确保了王位。纳尔逊上将在随后的几年里成为王室夫妇的重要顾问，卡罗利娜在纳尔逊的情妇埃玛·汉密尔顿夫人身上找到了一个亲密的朋友。

1800年6月，卡罗利娜带着她的三个未婚女儿、小儿子莱奥波尔多，在纳尔逊和被召回的外交夫妇艾玛和威廉·汉密尔顿的陪同下，经里窝那、佛罗伦萨、的里雅斯特和卢布尔雅那前往维也纳，两个月后抵达维也纳。作为婚姻谈判的一部分，卡罗利娜在维也纳停留了两年，试图将她的众多孩子有利的条件下地嫁出去。在家庭圈子里，她大部分时间都是和她最喜欢的外孙女奥地利的玛丽·路易丝在一起，她后来是她的宿敌拿破仑的第二任妻子。

在维也纳逗留后，她于1802年8月17日返回那不勒斯。欧洲国家关注拿破仑的崛起，最终在1804年5月18日拿破仑被指定为法国皇帝。1805年，拿破仑将注意力转回意大利；他为自己加冕，冠上刻有Rex totius Italiae（全意大利国王）。在第三次联军战争中，他征服了那不勒斯，先让他的哥哥约瑟夫·波拿巴和四年后让他的妹夫若阿尚·缪拉登上了那不勒斯的王位。1806年2月，王室被迫逃往西西里，在英国政府的压力下，那不勒斯-西西里的费迪南多一世于1812年退位，由其子弗朗切斯科一世继承。王后奉命离开西西里岛，回到维也纳。

当她还在旅途中时，就收到了拿破仑于1813年10月19日在莱比锡战役中战败的消息。经过漫长的旅程，途经君士坦丁堡、敖德萨、伦贝格和布达佩斯，卡罗利娜终于在1814年1月到达维也纳，她在那里游说梅特涅和她的侄子弗朗茨二世恢复她的那不勒斯王位。

1814年9月8日，卡罗利娜因中风在赫森多夫城堡去世。因此，她没能活着看到拿破仑最后被放逐到圣赫勒拿岛，并在维也纳会议上将王位交还给她的儿子弗朗切斯科一世。她的侍女发现王后躺在地上，死在一片书信之中。她被安葬在卡普钦墓室里。她的心脏在哈布斯堡的心脏墓室里，她的内脏被埋在公爵墓室里。因此，卡罗利娜是四十一位接受“单独埋葬”的人之一，尸体被分在维也纳哈布斯堡传统的三个埋葬地（皇家墓穴、心脏墓室、公爵墓室）。