Дочь принца Уэльского Фредерика и Августы Саксен-Готской, Каролина появилась на свет через три месяца после смерти отца.
Выдана замуж за короля Дании, своего двоюродного брата, в 15-летнем возрасте в 1766 году.
В 1768 году родился её первый ребёнок, кронпринц Фредерик (будущий король Фредерик VI). Когда Кристиан VII, страдавший психической болезнью, стал относиться к Каролине невнимательно, 18-летняя королева отдала своё расположение придворному врачу немцу Струэнзе, с которым тесно связана её дальнейшая судьба. В 1771 году родилась её дочь Луиза Августа, отцом которой считали Струэнзе. Воспользовавшись связью с королевой и пассивностью душевнобольного короля, фаворит провёл в Дании ряд реформ, носивших смелый и прогрессивный в целом характер, однако ущемлявших самолюбие датской аристократии и народа (например, официальным языком вводился немецкий).
В 1772 году Струэнзе в результате государственного переворота был свергнут и казнён. Королева с шестимесячной дочерью Луизой была арестована и заключена в крепость; затем по приговору особой комиссии она была разведена с мужем. Георг III настоял на том, чтобы датчане освободили и выслали из страны его «преступную» сестру.
Каролина умерла в возрасте 23 лет от скарлатины в Целле, владении Ганноверской династии в Германии, назначенном её резиденцией по соглашению между английским и датским правительствами. Луиза осталась в Дании, воспитывалась как законная принцесса и была выдана замуж за дальнего родственника династии, герцога Августенбургского.
В роли Каролины Матильды выступали Мэдлин Кэрролл (фильм «Диктатор», 1935) и Алисия Викандер («Дело о королевстве», 2012).