Zij werd als derde kind in Leeuwarden geboren nadat de eerste twee kinderen reeds waren overleden.
Carolina was de oudere zuster van Willem Batavus van Oranje-Nassau, de latere stadhouder Willem V. Willem IV was reeds erfstadhouder en in 1747 werd bepaald dat het stadhouderschap ook in de vrouwelijke lijn kon worden doorgegeven. Daardoor had Carolina in theorie de mogelijkheid om zelf stadhouder te worden wanneer haar broer iets zou overkomen. Toen vader Willem IV in 1751 stierf, was Willem Batavus slechts drie jaar.
Op 5 maart 1760 trouwde Carolina met prins Karel Christiaan van Nassau-Weilburg. Het echtpaar vestigde zich in Den Haag, en liet er een paleisje bouwen (thans de Koninklijke Schouwburg).
Carolina was zeer muzikaal. In 1765 bezocht Wolfgang Amadeus Mozart Nederland. Zowel Wolfgang als zijn zuster Nannerl waren erg ziek, zodat het bezoek tot in 1766 duurde. Daarbij componeerde Mozart de nodige stukken en was hij getuige van de installatie van Willem V als stadhouder.
Carolina en Karl-Christiaan kregen 15 kinderen, van wie er twee in de koninklijke grafkelder in de Nieuwe Kerk in Delft begraven liggen. Hun zoon Frederik Willem van Nassau-Weilburg (1768-1816) zette de lijn voort, die uiteindelijk via een vrouwelijke lijn leidde tot Hendrik van Nassau-Weilburg, de huidige groothertog van Luxemburg. In de vrouwelijke lijn werd hun kleindochter Emma van Anhalt-Bernburg-Schaumburg-Hoym de grootmoeder van Emma van Waldeck-Pyrmont, koningin-gemalin der Nederlanden. De huidige koningin Beatrix stamt dus rechtstreeks van hen af.
Nog in de grondwet van 1917 werd bepaald dat de erfgenamen van Carolina het koningschap van Nederland konden bekleden:
Artikel 15.
Bij ontstentenis van een opvolger, krachtens een der vier voorgaande artikelen tot de Kroon geregtigd, gaat deze over op de wettige mannelijke uit mannen gekomen nakomelingen van wijlen Prinses CAROLINA VAN ORANJE, zuster van wijlen Prins WILLEM DEN VIJFDE en gemalin van wijlen den Prins van Nassau-Weilburg, op gelijke wijze als in artikel 11 ten opzigte van de nakomelingen van wijlen Koning WILLEM FREDERIK, Prins van Oranje-Nassau, is bepaald.
Carolina stierf op 44-jarige leeftijd in Kirchheimbolanden.