Als Tochter eines Militärmusikers wurde es ihr ermöglicht, täglich einige Stunden die Garnisonsschule zu besuchen. Mit zehn Jahren erkrankte sie an Typhus, was sich auf ihr Wachstum auswirkte, sie wurde nur 1,40 m groß. Den Vorschlag des Vaters, wie ihre vier Brüder eine musikalische Ausbildung zu erhalten, nahm sie begeistert auf. Ihr Bruder Friedrich Wilhelm (1738–1822) floh 1757 aus dem von Frankreich besetzten Hannover nach England und wurde in Bath Organist und Konzertleiter. Nach dem Tod des Vaters folgte Caroline ihrem Bruder 1772 nach England, führte ihm den Haushalt und nahm bei ihm Gesangsstunden. Da sich der Bruder sehr für Astronomie interessierte, wurde sie von ihm auch in Astronomie unterrichtet. Nach ersten Auftritten als Solistin entschied sie sich deshalb ganz für die Astronomie. Bei von Bruder Wilhelm angefertigten Spiegelfernrohren übernahm sie mit großer Genauigkeit das Polieren und Schleifen der Spiegel, erlernte jedoch auch die theoretischen Grundlagen der Astronomie. 1781 entdeckte Wilhelm den Uranus, wurde damit über die Grenzen bekannt und bekam 1782 bei König Georg III. (1738–1820) eine Stelle als Astronom. Sie lebten von da an in Slogh bei Windsor, und Caroline, die 1786 ihren ersten Kometen entdeckt hatte (dem später noch sieben weitere folgten), erhielt als Assistentin ihres Bruders ein Gehalt von 50 Pfund im Jahr. Sie war damit die erste Frau, die für wissenschaftliche Arbeit Gehalt bezog. Caroline Herschel ergänzte den Sternenkatalog von John Flamsteed (1646–1719) um 561 Sterne, entdeckte 14 Nebel und legte einen Katalog für Sternhaufen und Nebelflecke an. Als ihr Neffe John Friedrich William Herschel (1792–1871, später ebenfalls Astronom) geboren wurde, übernahm sie seine Erziehung und setzte 25 Jahre mit ihren Forschungsarbeiten aus. Ihr Bruder Sir (ab 1816) Wilhelm Herschel starb 1822. Caroline Herschel verließ England kurze Zeit später und zog in ihre Geburtsstadt Hannover zurück. Sie ordnete das von ihrem Bruder hinterlassene Material, unterhielt Verbindung zu bedeutenden Gelehrten und wirkte an 63 Publikationen mit, ohne daß darin ihr Name genannt wurde. Für die Veröffentlichung eines Katalogs über 2 500 Sternennebel erhielt sie die Goldmedaille durch die Royal Astronomical Society, deren Ehrenmitglied sie 1835 wurde. 1838 wurde sie in die Royal Irish Academy aufgenommen. 1846 erhielt sie anläßlich ihres 96. Geburtstages vom preußischen König die Goldmedaille für wissenschaftliche Dienste. 1889 wurde ihr zu Ehren ein Kleinplanet nach ihrem zweiten Vornamen Lucretia benannt.