Родителями Каролины были Иоганн Фридрих, маркграф Бранденбург-Ансбахский, и его супруга принцесса Элеонора Саксен-Эйзенахская. Когда Каролине было три года, её отец умер от оспы. Новым маркграфом Ансбаха стал старший сводный брат Каролины, малолетний Кристиан Альбрехт. Каролина вместе с матерью и младшим братом Вильгельмом Фридрихом проживала в это время в Крайльсхайме в стеснённых материальных условиях.
В 1692 году мать Каролины вышла повторно замуж за саксонского курфюрста Иоганна Георга IV. Брак, оказавшийся скорее неудачным, закончился спустя два года, отчим Каролины умер опять же от оспы. Каролина с матерью и братом переехала в замок Претч. Год спустя умерла мать Каролины. 13-летнюю принцессу отдали под опеку Софии Шарлотты Ганноверской, в будущем курфюрстины бранденбургской, которая позаботилась о разностороннем образовании девочки. Когда в 1705 году София Шарлотта умерла, Каролина вместе с братом переехала в Ансбах, где тот стал новым маркграфом Бранденбург-Ансбахским.
Каролина были известна своей красотой и образованностью. Её руки добивались Карл XII, император Иосиф I и в особенности Фридрих Вильгельм I.
Каролина понравилась матери Софии Шарлотты, курфюрстине Софии Ганноверской, приезжавшей навестить свою дочь в Берлин, и София Ганноверская решила посодействовать браку Каролины со своим внуком Георгом, для чего с успехом организовала их тайную встречу в Трисдорфе.
22 августа 1705 года в Ганновере Каролина вышла замуж за Георга, сына курфюрста Ганноверского. Уже в 1701 году стало ясно, что потомки Софии Ганноверской унаследуют английский престол, что в конечном счёте произошло в 1714 году после смерти Софии и королевы Анны. Свёкор Каролины стал королём Великобритании и Ирландии Георгом I.
Годы с 1717 по 1720 прошли в ссорах между Георгом и его отцом, в то время как их оппозиция вела переговоры с ссыльным кронпринцем. Каролина выступила посредником между Георгами, и вместе с Робертом Уолполом ей удалось в конце концов добиться примирения короля с сыном.
После смерти своего отца в 1727 году Георг, супруг Каролины занял английский престол. Коронация Георга и Каролины состоялась 11 октября 1727 года в Вестминстерском аббатстве. Георг II поначалу освободил от должности Уолпола, премьер-министра своего отца, однако Каролина позаботилась о том, чтобы Уолпол вернулся. Каролина оказывала значительное влияние на правительство. Во время частых отсутствий своего супруга (1729, 1732, 1735 и 1736—1737 годы) она руководила государством вместе со своим премьер-министром Уолполом. Она инициировала реформу английского уголовного законодательства. По мнению английских историков, Георг II находился под большим влиянием своей супруги.
Конфликт отцов и детей вдруг возобновился в ссорах между Георгом II и Каролиной с одной стороны и их сыном Фридрихом Людвигом, новым принцем Уэльским, который при переезде родителей в Лондон был оставлен в Ганновере. Это внесло разлад в отношения между родителями и сыном, поскольку их очевидным любимчиком был Вильгельм Август, впоследствии герцог Кумберлендский. Конфликт между принцем Уэльским и его родителями только усугубился, когда Георг стал назначать временным регентом не принца, а свою супругу. В 1736 году популярность королевской четы упала благодаря оппозиции вокруг принца Уэльского и внесённому королевой «сухому закону», так называемому Акту о джине.
Несмотря на нескольких имевшихся периодически любовниц, между Каролиной и мужем сохранялись тёплые и доверительные отношения.
Каролина обладала разнообразными научными и художественными интересами. Она поддерживала переписку в частности с Готфридом Лейбницем и Христианом Томазиусом. За её поддержку во время своей английской ссылки в 1726—1729 годах Вольтер посвятил ей свою «Генриаду». Каролина считалась покровительницей композитора Генделя, ей посвящена его «Музыка на воде».
После рождения своего младшего ребёнка в 1724 году королева страдала от сильных спазматических болей гинекологического происхождения. Без анестезии в 1737 году ей была проведена операция по удалению опухоли, но кровотечения продолжались. На смертном одре она попросила своего мужа жениться вновь после её смерти, на что тот ответил: «Нет, у меня же есть мои любовницы».
Королева Каролина была похоронена в Вестминстерском аббатстве, по этому случаю Гендель написал реквием.