Era la hija mayor del landgrave Luis IX de Hesse-Darmstadt y de su esposa, Carolina del Palatinado-Zweibrücken-Birkenfeld.
Contrajo matrimonio con el landgrave Federico V de Hesse-Homburg el 27 de septiembre de 1768.
El matrimonio fue contraído por motivos diplomáticos y políticos, como el símbolo de una disputa de herencia entre sus respectivas familias.
Carolina y Federico V produjeron trece hijos, pero el matrimonio nunca se desarrolló en una relación personal, y vivieron mayormente vidas separadas.
Carolina a menudo pasó su tiempo en la afamada pequeña villa que le fue dada para su uso en el bosque en las cercanías de Homburg.