В 14 лет Мария Каролина была выдана замуж за Фердинанда IV вместо старшей сестры, которая после обручения заболела оспой. В 1777 году у них родился сын, будущий король Франциск I. Согласно условиям брачного контракта, рождение наследника давало королеве доступ в государственный совет, который под предводительством либерала Бернардо Тануччи держался союза с Испанией: отцом Фердинанда был испанский король Карл III.
Под влиянием своего фаворита (и, как принято считать, любовника), британского баронета Джона Актона, Мария Каролина добилась вступления Неаполя в антиреволюционную коалицию и в 1793 году убедила короля направить неаполитанские корабли на помощь британским к Тулону. Особенно озлобила её против французов весть о казни сестры, Марии Антуанетты. В декабре 1798 года, однако, вошедшие в Неаполь французские войска провозгласили Партенопейскую республику, а королевская чета принуждена была бежать из столицы.
Как только флот Ушакова освободил в июне 1799 года Неаполь от французов, король и королева вернулись в город, а над сторонниками революции была учинена жестокая расправа. Мария Каролина ещё больше уверилась в действенности союза с англичанами, и тесно сблизилась с супругой британского посла, известной леди Гамильтон. Рассчитывая на помощь русского и английского флотов, она в 1805 году опять ввязала Неаполь в войну с французами, и в январе 1806 года вновь была вынуждена бежать в Сицилию. Ещё одним ударом стал для неё брак внучки, Марии Луизы, с ненавистным ей Наполеоном.
Отношения Марии Каролины с супругом никогда не были сердечными, а её поддержка грабительских действий кардинала Руффо в Калабрии стоила ей популярности в народе. Новый британский посланник лорд Бентинк убедил в 1811 году короля выслать Марию Каролину с Сицилии. Свои последние годы она провела в родном городе, Вене, где и умерла за 10 дней до открытия Венского конгресса. Узнав об её смерти, Фердинанд заключил морганатический брак с любовницей.
В браке с Фердинандом родила 16 детей: