Жозефина-Шарлотта родилась 11 октября 1927 года в королевском дворце в Брюсселе, она была старшим ребёнком (и единственной дочерью) бельгийского короля Леопольда III и его супруги Астрид Шведской.
В детстве она посещала школу при дворце. 7 июня 1944 года немцы вывезли бельгийскую королевскую семью в Германию, союзники освободили их 7 мая 1945 года, после чего они переехали в Швейцарию. В Швейцарии Жозефина-Шарлотта посещала «Ecole Sup?rieure de Jeunes Filles» в Женеве, а потом поступила в Университет Женевы, где изучала детскую психологию.
9 апреля 1953 года Жозефина-Шарлотта вышла в Люксембурге замуж за Жана, наследника Великого герцога Люксембурга, который унаследовал трон 12 ноября 1964 года. У них было пятеро детей: