Carolina era hija de Enrique XXII, príncipe reinante de Reuss-Greiz, y su esposa, la princesa Ida, hija del príncipe Adolfo I de Schaumburg-Lippe. Su madre murió en 1891, y su padre murió en 1902. Solo tenía un hermano varón sobreviviente, el príncipe Enrique XXIV de Reuss-Greiz, quien era incapaz de gobernar debido al padecimiento físico y mental resultado de un accidente durante la infancia. Como consecuencia, el poder pasó a su primo una vez fallecido su padre. Su hermana menor, la princesa Herminia de Reuss-Greiz más tarde se casaría con el emperador Guillermo II de Alemania como su segunda esposa.

El compromiso de la princesa Carolina y Guillermo Ernesto, el gran duque reinante de Sajonia-Weimar-Eisenach desde 1901, fue anunciado el 10 de diciembre de 1902.^[2]​ En el castillo de Buckeburg (hogar de su tío), se casaron el 30 de abril de 1903.^[3]​ Carolina, según se registra, estaba muy en contra de este enlace; en el último segundo de su boda, trató de echarse atrás, solo para ser persuadida a la fuerza por el emperador Guillermo II y la emperatriz Augusta Victoria para proceder con el matrimonio.^[4]​ Carolina llevaba un vestido de satén blanco adornado con encajes; sus primos, el príncipe Jorge de Schaumburg-Lippe y el príncipe Enrique XIV de Reuss, así como la madre de Guillermo Ernesto, la gran duquesa viuda Paulina, asistieron al enlace.^[3]​ Su prima, la reina Guillermina de los Países Bajos, y su consorte, el príncipe Enrique de Mecklemburgo-Schwerin, también asistieron a la boda.^[5]​

El matrimonio no fue feliz, en tanto que Carolina encontró la rígida etiqueta de la corte de Weimar intolerable. La corte generalmente era considerada como una de las más asfixiante y guiadas por la etiqueta en Alemania.^[4]​ Un fuente consideró:

"Envuelve a la realeza en una especie de cautividad, y mientras el gran duque se presta a la misma y es demasiado conservador para admitir cualquier cambio, abruma con sus trabas a los miembros más animosos de la familia".^[4]​

Su marido fue descrito como:

"Uno de los soberanos más ricos de Europa; impasible, de buena educación, imbuido de gran orgullo de raza, y un estricto sentido de lo que se debe al ungido del Señor. Es también uno de los más severamente respectados y capaces de los gobernantes alemanes... El gran duque es muy sombrío, y su corte y su ambiente reflejan su carácter en este aspecto, hasta tal punto que Weimar se ha convertido en la capital más triste de Europa".^[4]​

Carolina causó un escándalo buscando refugio en Suiza; su marido no tardó en ir tras ella, ya que se dio a entender que ella no habido huido del matrimonio sino que en su lugar simplemente pretendía alejarse de su séquito en Weimar.^[4]​^[6]​ Finalmente fue inducida a volver, pero pronto perdió la salud y cayó en la melancolía. Murió dieciocho meses después de su matrimonio, el 17 de enero de 1905, bajo misteriosas circunstancias.^[4]​ La causa oficial de su muerte fue neumonía después de una gripe; otras fuentes sin embargo han sugerido suicidio.^[4]​ La pareja no tuvo hijos conjuntamente. Fue el último miembro de la Casa de Sajonia-Weimar en ser enterrado en el Weimarer Fürstengruft, la cripta de la familia real. Guillermo Ernesto se casó más tarde de nuevo con la princesa Feodora de Sajonia-Meiningen.

• 13 de julio de 1884-30 de abril de 1903: Su Alteza Serenísima la princesa Carolina de Reuss-Greiz.
• 30 de abril de 1903-17 de enero de 1905: Su Alteza Real la gran duquesa de Sajonia-Weimar-Eisenach.

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