Carolina nació en Biebrich, en el condado de Nassau-Usingen, siendo el segundo vástago y primera hija del príncipe Carlos Guillermo de Nassau-Usingen (1735-1803), y de su esposa, la condesa Carolina Felicita de Leiningen-Dagsburg (1734-1810), hija del conde Cristián Carlos Reinardo de Leiningen-Dagsburg-Falkenburg.

Carolina, vía las raíces alsacianas de su madre entre los señores de Leiningen, era una prima del aristócrata danés, el duque de Augustenborg, siendo ambos descendientes directos del importante estadista danés y de Schleswig, Frederik Ahlefeldt. Esta conexión danesa jugó un papel en el matrimonio de Carolina.

Carolina contrajo matrimonio el 2 de diciembre de 1786 en Biebrich con el landgrave Federico de Hesse-Kassel (1747-1837), hijo menor del landgrave Federico II de Hesse-Kassel y la princesa María de Gran Bretaña, hija del rey Jorge II de Gran Bretaña.^[1]​

El landgrave y príncipe Federico nació en el seno de una familia aristocrática hessiana, pero vivía desde su juventud en Dinamarca, como sus dos hermanos mayores. Los dos hermanos mayores de Federico contrajeron matrimonio con hijas del rey de Noruega y Dinamarca. No obstante, no había más hijas reales danesas para casarse con el más joven de los chicos, Federico, así que contrajo matrimonio con una prima del duque de Augustenborg, siendo ella Carolina de Nassau. Federico era un general de infantería en el servicio danés.

Tuvieron ocho hijos:

• Guillermo (24 de diciembre de 1787-5 de septiembre de 1867), desposó a la princesa Luisa Carlota de Dinamarca (1789-1864) y fue el padre de Luisa de Hesse-Kassel (esposa del rey Cristián IX de Dinamarca).
• Carlos Federico (9 de marzo de 1789-10 de septiembre de 1802).
• Federico Guillermo (24 de abril de 1790-25 de octubre de 1876).
• Luis Carlos (12 de noviembre de 1791-12 de mayo de 1800).
• Jorge Carlos (14 de enero de 1793-4 de marzo de 1881).
• Luisa Carolina María Federica (9 de abril de 1794-16 de marzo de 1881), desposó al general Georg von der Decken (1787-1859).
• María Guillermina Federica (21 de enero de 1796-30 de diciembre de 1880), desposó a Jorge, gran duque de Mecklemburgo-Strelitz (1779-1860).
• Augusta Guillermina Luisa (25 de julio de 1797-6 de abril de 1889), desposó al príncipe Adolfo, duque de Cambridge (1774-1850).

• L'Allemagne dynastique, Huberty, Giraud, Magdelaine, Reference: vol III page 427
• The Royal House of Stuart, London, 1969, 1971, 1976, Addington, A. C.
• Europäische Stammtafeln, Band I, Frank Baron Freytag von Loringhoven, 1975, Isenburg, W. K. Prinz von