Charlotte Aglaé d’Orléans s-a născut pe 20 octombrie 1700 la Palais-Royal, reședința din Paris a părinților ei, Filip al II-lea, Duce de Orléans, regent al Franței, și Françoise-Marie de Bourbon (care era fiica cea mică a Regelui-Soare cu amanta lui, Madame de Montespan) și a fost cunoscută la curte drept Mademoiselle de Valois. Și ea, și sora ei, Louise Adélaïde, au fost plasate la mănăstirea Chelles, unde mai târziu cea din urmă va deveni stareță. În 1714, Charlotte Aglaé a fost trimisă de părinți la mănăstirea Val-de-Grâce, apoi familia a început să se ocupe de găsirea unui pretendent adecvat rangului. Sora ei mai mare, ducesa de Berry, a sugerat o căsătorie cu tânărul Louis Armand de Bourbon, Prinț Conti, dar Ludovic al XIV-lea nu și-ar fi dat consimțământul pentru un astfel de mariaj.
În 1715, tânăra s-a mutat la Palais-Royal împreună cu familia și anul următor mama i-a sugerat o căsătorie cu un văr primar, Louis Auguste de Bourbon, însă prințesa a refuzat. La scurtă vreme, a plecat la Castelul Saint-Cloud împreună cu bunica paternă, Elizabeth Charlotte, iar un alt văr, Louis Henri, Ducele de Bourbon, a cerut-o de soție pentru fratele său vitreg, Charles de Bourbon, conte de Charolais, și de data aceasta ea ar fi acceptat oferta, dar părinții au fost cei care s-au opus.
Trei ani mai târziu, Charlotte Aglaé a început o relație romantică cu Louis François Armand du Plessis, duce de Richelieu, însă la scurt timp ducele a fost arestat și închis la Hem pentru că participase la Conspirația Cellamare. Prințesa l-a vizitat de câteva ori la închisoare și, pentru că își dorea să se căsătorească cu el, și-a rugat tatăl să-l ierte. În același timp, verișoara ei mai mare, Louise Anne de Bourbon, de care nu a fost niciodată foarte apropiată, s-a îndrăgostit la rândul ei de ducele încarcerat, cele două au devenit rivale înverșunate, iar ostilitatea dintre ele a continuat mult timp după ce s-au sfârșit relațiile cu ducele.
Următorul pretendent a fost Filip al II-lea, însă tatăl ei a acceptat, împotriva dorinței prințesei, cererea în căsătorie formulată de Rinaldo d’Este, Ducele de Modena, pentru fiul și moștenitorul său, Prințul Francesco d’Este. Charlotte Aglaé a pus o singură condiție pentru a accepta mariajul aranjat: iubitul ei să fie eliberat.
Potrivit memoriilor bunicii paterne, viitorul soț s-a îndrăgostit de tânăra Charlotte Aglaé la simpla vedere a unui portret, dar puțini se așteptau ca această căsătorie să fie un succes, pentru că prințesa nu avea nici cea mai mică dorință să părăsească Franța și existase și un precedent nefericit: verișoara ei îndepărtată, Marguerite Louise d’Orléans, care se căsătorise împotriva dorinței ei cu Cosimo al III-lea de Medici, a avut într-o căsnicie dezastruoasă. În cele din urmă, Marguerite fusese nevoită să se întoarcă în Franța în dizgrație, iar oamenii credeau că aceeași soartă o va aștepta și pe Charlotte Aglaé.
Decizia fusese însă luată și pe februarie 1720 a fost efectuată o căsătorie prin procură la Palatul Tuileries, fratele ei, Ducele de Chartres, l-a reprezentat pe viitorul cumnat și sora mai mică, Louise Élisabeth, i-a ținut trena. Ceremonia a fost urmată de un banchet la Palais Royal, la serbare participând și tânărul rege Ludovic al XV-lea, care i-a oferit multe daruri noii prințese de Modena.
Charlotte Aglaé a ajuns la Reggio pe 20 iunie și atunci și-a întâlnit socrul și cumantul pentru prima dată, nunta în persoană având loc pe 21 iunie 1720 la Modena. Tânăra a primit o zestre de 1,8 milioane de livre, din care jumătate a fost contribuția în numele regelui Ludovic al XV-lea, iar din noua țară a primit un trusou format din haine luxoase, bijuterii cu diamante și o serie de portrete ale viitorului soț. Pentru că mama prințului murise în 1710, prințesa moștenitoare a primit cel mai înalt rang printre doamnele de la curte. La Modena viața era însă plictisitoare, Charlotte Aglaé a fost auzită spunând în timp ce se plimba pe hoturile palatului: “Of, ce tare m-am plictisit!”, dar apoi a început să țină mici adunări private în apartamentele ei pentru a se distra, la aceste întâlniri participând și cele trei surori ale soțului, inclusiv Enrichetta d’Este, viitoarea ducesa de Parma.
În septembrie 1720, Charlotte Aglaé s-a îmbolnăvit de variolă și, potrivit bunicii ei, starea era atât de gravă, încât i-a fost acordată ultima împărtășanie. Prințesa și-a chemat duhovnicul francez, pe Colibeaux, și i-a dat o cutie cu documente, rugându-l să le ardă în secret. Probabil printre acestea se aflau și scrisorile de dragoste pe care le primise de la Louis François Armand du Plessis, Ducele de Richelieu. În timpul bolii, soțului ei i s-a interzis să o vadă, fiind obligat să stea la vila sa de la Sassuolo până când Charlotte și-a revenit. Nu după mult timp, mariajul a început să fie criticat la curtea de la Modena pentru că nu produsese nici un moștenitor de sex masculin, iar vina a căzut pe prințesă, pentru că toată lumea a considerat că boala o făcuse infertilă.
Enervați de insistențele celor din jur, cei doi tineri au fugit la Verona, spre supărarea socrului, și, ca represalii, acesta a încetat să le mai trimită vreo scrisoare, în speranța că îi va determina să se întoarcă acasă. Charlotte și-a întrebat tatăl dacă poate reveni în Franța pentru a locui la Versailles cu familia, dar această solicitare complica planurile de căsătorie ale surorilor ei mai mici, Louise Élisabeth și Philippine Élisabeth, așa că a fost respinsă. În decembrie 1723, în timp ce tânăra se afla încă în Italia, tatăl ei a murit și fratele mai mic, Louis, a devenit Duce de Orléans, iar acesta le-a cerut prințesei și soțului ei să rămână la vila prințului din Reggio, într-un fel de exil privat, departe de curtea de la Modena.
Cuplul a avut nouă copii: Alphonse, care a murit la doar doi ani, François Constantin, care a murit înainte de a împlini un an, Marie Thérèse Félicité, Hercule Renaud, Mathilde, ultima decedată la vârsta de patru ani, Béatrice, care a murit la cinci ani, Marie Fortunée, Benoît Philippe și Marie Ernestine Élisabeth, care a murit la doar trei ani.
În 1727, fostul ei iubit, Ducele de Richelieu, a vizitat-o și se pare că cei doi au avut o nouă aventură. Când s-a aflat, soțul a vrut să o trimită în Franța, dar ea a revenit la Modena și aici avea să-l aducă pe lume pe cel de-al patrulea copil, Ercole Renaud, singurul fiu în viață la acel moment, cel care va deveni ducele Ercole al III-lea d’Este. În 1733, prințesa a vizitat Franța, dar a simțit că nu e binevenită, pentru că mama ei a primit-o cu răceală, așa că s-a întors repede la Modena.
În 1743, din cauza Războiului austriac de succesiune, Charlotte Aglaé a fost nevoită din nou să ceară permisiunea să se întoarcă la Paris împreună cu fiica ei mai mare, Maria Teresa. Solicitarea a fost inițial ignorată, însă vechiul ei iubit, ducele de Richelieu, și-a folosit influența asupra ducesei de Chateauroux, amanta regelui Ludovic al XV-lea, pentru a obține aprobările necesare. Când a ajuns în capitala Franței, prințesa a fost întâmpinată cu toate onorurile datorate rangului ei și s-a instalat pe Rue de Grenelle, în Faubourg Saint-Germain, devenind prietenă foarte apropiată cu ducesa de Châteauroux.
La moartea acesteia, poziția ei s-a diminuat pentru un timp. Totuși, în 1744 a putut să aranjeze pentru fiica ei, Prințesa Maria Teresa de Modena, o căsătorie cu ducele de Penthièvre, cel mai bogat nobil din Franța, iar acest mariaj avantajos al fiicei i-a permis Charlottei să aibă un cuvânt de spus la curtea regală pentru o perioadă scurtă de timp. Lucrurile au început să se schimbe însă la apariția celebrei Madame de Pompadour în anturajul regal, în 1745.
În cele din urmă, în 1759 Charlotte Aglaé, ajunsă la vârsta de 59 de ani, a revenit la Modena și a descoperit că soțul ei trăiește cu Marchesa Simonetti, o văduvă de 60 de ani, astfel că a decis să părăsească definitiv ducatul și a revenit la Paris, unde a murit doi ani mai târziu, pe 19 ianuarie 1761.
