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.

• Federico VI (1769-1829), landgrave de Hesse-Homburg. Desposó a la princesa Isabel del Reino Unido (1770-1840).
• Luis Guillermo (1770-1839), desposó a la princesa Augusta de Nassau-Usingen (1778-1846). Divorciados en 1805.
• Carolina (1771-1854), desposó al príncipe Luis Federico II de Schwarzburgo-Rudolstadt (1767-1807).
• Luisa Ulrica (1772-1854), desposó al príncipe Carlos Gunter de Schwarzburgo-Rudolstadt (1771-1825).
• Amalia (1774-1846), desposó al príncipe heredero Federico de Anhalt-Dessau (1769-1814).
• Augusta (1776-1871), desposó al gran duque heredero Federico Luis de Mecklemburgo-Schwerin (1778-1819).
• Felipe (1779-1846), desposó a Rosalía Antonia, condesa de Naumburg, baronesa de Schimmelpfennig von der Oye, nacida Pototschnig (1806-1845).
• Gustavo (1781-1848), desposó a la princesa Luisa de Anhalt-Dessau (1798-1858).
• Fernando (1783-1866), el último landgrave de Hesse-Homburg.
• María Ana (1785-1846), desposó al príncipe Guillermo de Prusia (1783-1851).
• Leopoldo (1787-1813), caído en la batalla de Großgörschen.

1. ↑ Genealogie ascendante jusqu'au quatrieme degre inclusivement de tous les Rois et Princes de maisons souveraines de l'Europe actuellement vivans [Genealogy up to the fourth degree inclusive of all the Kings and Princes of sovereign houses of Europe currently living] (en francés). Bourdeaux: Frederic Guillaume Birnstiel. 1768. p. 69.