Isaac Herschel e Anna Ilse Moritzen, i genitori di Caroline e William, ebbero 6 figli, 4 maschi e due femmine. Isaac era un musicista: suonava l'oboe nella banda di Hanover, la città dove Caroline nacque il 16 marzo del 1750. Oltre alla musica, si interessava anche alla filosofia e all'astronomia e lavorò duro per dare un'instruzione a tutti i suoi 6 figli, ma aveva un oppositore interno, se così possiamo dire. La moglie Anna Ilse, infatti, non era d'accordo con queste idee del marito, soprattutto relativamente all'educazione delle figlie. C'è da dire che accettò di mala voglia anche gli sforzi per fornire un'educazione ai figli.
Nonostante ciò l'influenza del padre nella formazione e negli interessi di Caroline furono fondamentali: è la stessa astronoma a ricordare che il padre la portò
(...) in strada durante una notte gelida e limpida per farmi conoscere molte delle bellissime costellazioni, dopo aver osservato una cometa che era all'epoca visibile.E fu proprio lo studio delle comete il campo per cui oggi ricordiamo Caroline Herschel!
La situazione non migliorò con il ritorno a casa di Isaac, nel 1760: a causa delle sue pessime condizioni di salute, Caroline accudì il padre, di fatto vivendo come la sguattera di casa, fino alla morte di Isaac, avvenuta nel 1767. Con la morte del padre, Caroline decise di prendere il controllo della sua vita, così iniziò a prendere lezioni di sartoria e studiare come istitutrice, il tutto nonostante la madre continuasse a ostacolarla con le faccende domestiche.
Nel frattempo William aveva avviato una proficua carriera nella musica, così la sorella decise di raggiungerlo in quel di Bath nonostante le fervide proteste materne, che aveva evidentemente paura di perdere un servitore, più che una figlia. Era il 1772 quando Caroline si riunì dopo 15 anni al fratello, cui era sempre stata molto legata.
Qui William le diede lezioni di canto, cosa in cui eccelse abbastanza velocemente, ma anche di matematica e astronomia, campo, quest'ultimo, in cui William iniziava a interessarsi sempre di più.
Il sodalizio tra i due divenne sempre più solido sia nel campo della musica, dove Caroline si esibiva solo in concerti diretti da William, sia nel campo dell'astronomia, dove assisteva il fratello sia nella costruzione dei telescopi, sia nell'osservazione del cielo notturno.
Tutto cambiò nel 1781 dopo la scoperta da parte di William del pianeta Urano. Grazie a questa scoperta re Giorgio III fornì a William uno stipendio regolare, 200 sterline l'anno, che per quanto non eccelso era comunque sufficiente per intraprendere l'astronomia come professione. Così gli Herschel si trasferirono a Datchet nell'agosto del 1782 e qui Caroline, che aveva non senza rimpianti abbandonato la musica, inizò a svolgere le osservazioni delle comete per cui è famosa.
Purtroppo il tempo per osservare era sempre molto poco, dovendo svolgere le verifiche e i calcoli matematici relativi alle osservazioni del fratello. E' sostanzialmente per questo che la prima scoperta di Caroline risale all'1 agosto del 1786: i due si erano trasferiti da poco, aprile di quello stesso anno, a Slough. Oltre alla fama derivatale da questa prima scoperta cometaria, arrivò anche uno stipendio regolare. Sempre re Giorgio III, infatti, le diede uno stipendio di 50 sterline all'anno come assistente di William.
L'anno dopo il fratello sposò Mary Pitt. La cosa, all'inizio, sconvolse Caroline a tal punto che i suoi rapporti con Mary non erano per nulla buoni. Sembra che scrisse non poche cattiverie nei confronti della moglie di William sul suo diario, che poi distrusse quando con il passare del tempo la conoscenza tra le due donne migliorò anche i loro rapporti.
Dal punto di vista scientifico il periodo tra il 1786 e il 1797 venne caratterizzato dalla scoperta di 8 comete. Quindi iniziò a esaminare il catalogo stellare redatto da John Flamsteed. Alla fine di questo lavoro, nel 1798, sottopose alla Royal Sociaty un Index to Flamsteed's Observations of the Fixed Stars insieme con una lisa di 500 stelle che erano precedentemente assenti. Questo Index fu per i 25 anni successivi il suo ultimo lavoro scientifico. Durante questo periodo si dedicò all'educazione del nipote John, nato nel 1792. Fu proprio l'influenza della zia a spingere John Herschel a intraprendere la carriera dell'astronomo!
Caroline, ad ogni buon conto, continuò ad assistere il fratello fino al 1822, anno della morte di quest'ultimo, ma questo ritorno al passato non le impedì di ottenere riconoscimenti vari, come l'essere ospite di Nevil Maskelyne presso l'Osservatorio Reale o di venire invitata dalla Royal Family a più riprese. Con la morte del fratello, Caroline decise di ritornare ad Hanover, riprendendo anche il lavoro di ricerca astronomica. In particolare redasse un ricco catalogo di nebulose con l'obiettivo di fornire un valido strumento al nipote John. Al completamento di questo immenso lavoro nel 1828, contenente qualcosa come 2500 nebulose, la Royal Astronomical Society le assegnò la medaglia d'oro per le sue scoperte.
Non fu certo l'unico riconoscimento che ricevette: appena pochi anni più tardi, nel 1835, venne conferita a lei e a Mary Somerville, prime donne nella storia, il titolo di membri onorari della Royal Astronomical Society.
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