В 15 лет Мария Каролина была выдана замуж за Фердинанда IV вместо своей старшей сестры Марии Йозефы, которая после обручения заболела оспой и скоропостижно умерла. 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. Всего в браке с Фердинандом она родила 18 детей, многие из которых умерли в младенчестве.

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, в 1805 году она опять вовлекла Неаполь в войну с французами и в январе 1806 года вновь была вынуждена бежать на Сицилию. Ещё одним ударом стал для неё брак её 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 в 1813 году убедил короля выслать Марию Каролину с Сицилии. Свой последний год жизни она провела в родном городе, Вене, где и умерла за 10 дней до открытия Венского конгресса. Узнав о её смерти, Фердинанд заключил морганатический брак с любовницей.

Мария Каролина изображена Александром Дюма-отцом в романе «Луиза Сан-Феличе». Она является также персонажем ряда художественных фильмов:

• «Леди Гамильтон» (1941) — Норма Друри Болеславски;
• «Корабли штурмуют бастионы» (1953) — Ада Войцик;
• «Леди Гамильтон» («Le calde notti di Lady Hamilton», 1968) - Надя Тиллер;
• «Фердинанд и Каролина» (1999) — Габриэлла Пессион^[итал.];
• «Всё, что осталось от ничего^[итал.]» (2004) — Джулия Вебер^[итал.];
• Сериал «Екатерина. Самозванцы» (2019) — Ольга Макеева.