Caroline Lucretia Herschel néven született 1750. március 16-án Hannoverben. 1772-ig anyjának segített a háztartás vezetésében, ekkor imádott bátyja, William az angliai Bath-ba vitte, ahol zenetanárként működött. Bath-ban letelepedve Caroline énekelni tanult, és sikeres előadó lett. Caroline és William 1782-ben lépett fel utoljára nyilvános zenei előadáson, William ugyanis ekkor fogadta el III. György udvari csillagászának hivatalát. Caroline vezette bátyja háztartását, csiszolta, polírozta a tükröket, emellett elkezdte a megfigyelésekhez kapcsolódó munkaigényes számítások végzését. Mind jobban érdekelte ez a munka, így kis newtoni tükrös távcsővel kezdte tanulmányozni az eget, saját megfigyeléseket végzett, távcsövet épített, és csillagászati felfedezéseket tett. 1786 és 1797 között 8 üstököst fedezett fel (ifj. Bartha Lajos ezért „minden idők egyik legszorgosabb üstökösvadászának” nevezi őt), valamint több ködfoltot.

A király 1787-ben évi 50 fontos járadékot adott neki, mint testvére asszisztensének. 1798-ban Caroline bemutatta a Royal Society (Királyi Társaság) előtt a Flamsteed megfigyeléseihez készített mutatót, valamint 560 olyan csillag katalógusát, amelyek kimaradtak a British Catalogue-ból, bemutatta továbbá a Brit Katalógus hibáinak a jegyzékét is. Az ő érdeme is, hogy kiváló távcsöve segítségével William felfedezte az Uránuszt. William 1822-ben bekövetkezett halála után Caroline visszatért Hannoverba, nemsokára befejezte 2500 köd (nebula) és sok csillaghalmaz katalogizálását. 1828-ban, 77 éves korában a Csillagászati Társaság aranyérmével tüntette ki kettőjük munkájának közzé nem tett felülvizsgálatáért és újjászervezéséért (aranyérmet utána 1996-ban kapott újra nő).

Caroline Herschel talán a legelső olyan nő a csillágászat történetében, akinek a neve szerepel a legjelentősebb enciklopédiákban és szakművekben. Visszaemlékezéseit és levelezéseit Nyugat-Európában több ízben is kiadták. Elneveztek róla - második keresztnevéről - egy aszteroidát (281 Lucretia aszteroida) és a Hold egyik kráterét (C. Herschel kráter).