Caroline Lucretia Herschel Hannoverben született, egy sokgyermekes családban. Apja katonazenész volt, aki a zene, filozófia és csillagászat iránti érdeklődést biztosítani kívánta négy fiának és két lányának. Anyja azonban a lányokat házimunkájukon kívül nem engedte elméleti oktatásra. Caroline azonban nagy lelkesedéssel szívta magába apja tudását a csillagászatról.

1757-ben, a hét éves háború ideje alatt Caroline bátyja, William Herschel Angliába menekült, ahol zeneként kereste kenyerét. Caroline évekig szolgáló lányként dolgozott, majd apja halála után 1772-ben bátyjához utazott Bathba.

William hamarosan távcsöveket kezdett el készíteni, mivel elégedetlen volt a piacon kapható lencsék minőségével. Caroline egyre több időt töltött a távcsövek csiszolásával és polírozásával, valamint bátyja megfigyeléseinek nyilvántartásával foglalkozott. A testvérpár élete 1781-ben fordult meg, amikor William felfedezte az Uránuszt, amely egy új bolygóként hírnevet hozott számára. III. György brit király udvari csillagászati állást ajánlott fel neki.

A testvérek Windsor közelébe költöztek, ahol 1789-re elkészítették a korszak legnagyobb teleszkópját, és távcsövek összeállításával és eladásával is foglalkoztak. Caroline ezalatt saját megfigyeléseket is kezdett végezni egy különösen érzékeny teleszkóppal. 1782-től naplót vezetett, és egy évvel később felfedezte első önálló csillagködét.

1786-ban fedezte fel első üstökösét, a C/1786 P1 (Herschel) néven ismert üstököst, és ezzel ő lett az első nő, aki csillagászati felfedezést tett. 1787-ben hivatalosan is elismerték bátyja, William csillagászati asszisztensének, éves 50 font fizetéssel. Az ő munkássága elindította a női csillagászok előtt azt az utat, amelyet később sokan jártak végig.

Caroline számos üstököst felfedezett, köztük a nevét viselő 35P/Herschel–Rigollet üstököst is, amely 155 éves periódussal kering. 1798-ban bemutatta a Brit Királyi Társaságnak John Flamsteed megfigyeléseinek jegyzékét, és 1802-ben egy új katalógust állítottak össze, amelyben 500 új csillagködöt sorolt fel a már ismert 2000 mellett.

A tudományos pályafutása során Caroline számos kitüntetésben részesült. 1828-ban aranyérmet kapott a brit Királyi Csillagászati Társaságtól, és 1835-ben tiszteletbeli tagjává választották, ezzel ő volt az első nő ebben a pozícióban. Élete végén, 1848 január 9-én, békésen hunyt el hannoveri otthonában.

Caroline Herschel jelentős hozzájárulásokat tett az asztronómiához, és maradandó nyomot hagyott a női tudósok történetében. Nevét a 281. Lucretia aszteroidáról, valamint a Hold egyik kráteréről ismerjük, és 2020-ban az űrbe bocsátottak egy holdat, amely az ő nevét viseli.

Levelezéseit és visszaemlékezéseit több kiadásban is publikálták Nyugat-Európában. A Bathban található egykori otthonuk ma csillagászati múzeumként üdvözli a látogatókat, így örök mementóként szolgál Caroline munkásságára.