Maria Carolina a Austriei s-a născut pe 13 august 1752 la Palatul Schönbrunn din Viena și a fost al treisprezecea copil al împărătesei Maria Terezia a Austriei și lui Francisc I, Împărat al Sfântului Imperiu Roman. Nașii ei au fost regele Ludovic al XV-lea al Franței și regina Maria Leszczyńska, iar copila a fost botezată cu același nume ca cele două surori mai mari: Maria Carolina, care murise după ce a împlinit un an, și Maria Carolina, care a murit la câteva ore după botez.
Fetița a semănat cel mai mult din punct de vedere fizic cu mama ei și a avut o relație foarte apropiată cu sora sa mai mică, Maria Antoaneta. În octombrie 1767 una dintre surorile mai mari, Maria Josepha, care era destinată să se căsătorească cu Ferdinand al IV-lea de Neapole, a murit de variolă. Dornic să salveze alianța austro-spaniolă, Carol al III-lea al Spaniei, tatăl lui Ferdinand, i-a cerut fiului său să se căsătorească cu o altă arhiducesă austriacă, iar Maria Terezia le-a oferit curții de la Madrid pe Maria Amalia sau pe Maria Carolina. Pentru că Maria Amalia era cu cinci ani mai mare decât fiul său, Carol al III-lea a optat pentru cea din urmă, dar mezina a reacționat prost la vestea logodnei, a plâns și a spus că această căsătorie îi va aduce ghinion.
Obiecțiile ei nu au oprit totuși pregătirile pentru noul rol de regină a Neapolelui, astfel că nouă luni mai târziu, pe 7 aprilie 1768, Maria Carolina s-a căsătorit cu Ferdinand al IV-lea al Neapolelui în lipsă, mirele fiind reprezentat de fratele ei, Ferdinand.
Tânăra regină, care avea doar șaisprezece ani, a plecat de la Viena oprindu-se în drum la Mantua, Bologna, Florența și Roma. Mireasa a ajuns în regatul Neapole pe 12 mai 1768, debarcând la Terracina, unde s-a despărțit de însoțitorii ei austrieci și a mers apoi la Poztella, unde și-a întâlnit soțul pe care l-a găsit “foarte urât”.
Avea să-i scrie contesei de Lerchenfeld: “Îl iubesc numai din datorie…”, dar nici bărbatul nu a fost impresionat de ea, spunând, după prima lor noapte împreună: “Doarme ca un mort și transpiră ca un porc”.
Deși Maria Carolina nu și-a plăcut soțul, acest lucru nu a împiedicat-o să nască mulți copii pentru a asigura continuitatea dinastiei. În total, regina i-a dăruit lui Ferdinand optsprezece copii, din care șapte au atins vârsta adultă, printre ei aflându-se succesorul lui Francisc I, ultima împărăteasă a Sfântului Imperiu Roman, Marea Ducesă de Toscana, ultima regină a Franței și Prințesa de Asturia.
Ferdinand nu avea abilități de a conduce regatul și se baza în totalitate pe consilierul tatălui său, Bernardo Tanucci. În conformitate cu instrucțiunile pe care le primise de la mama ei, împărăteasa Maria Terezia, Maria Carolina i-a câștigat încrederea soțului, simulând interes față de activitatea lui favorită, vânătoarea, și a reușit să fie admisă în Consiliului Privat al regatului.
Căderea lui Tanucci de la putere a fost considerată un triumf al Mariei Carolina privind masoneria, pe care ea o simpatiza. Acționând la ordinele lui Carol al III-lea, Tanucci reluase o lege din 1751 care interzicea mișcarea masoneriei, ca răspuns la descoperirea unei loje în cadrul regimentul regal. Înfuriată, regina i-a spus regelui Carol al III-lea opinia ei că Tanucci a ruinat țara și l-a deteminat să-l demită pe acest consilier în octombrie 1776, provocând o ruptură cu socrul său.
Numirea succesorului lui Tanucci, marchizul de Sambuca, o marionetă a reginei, a reprezentat sfârșitul influenței spaniole în regatul Neapole și a marcat creșterea influenței austriece.
În timpul domniei, Maria Carolina a patronat mulți artiști germano-elvețieni, cea mai cunoscută fiind Angelica Kauffman, care a pictat familia regală într-un cadru informal, în grădină, și le-a dat fiicelor princiare lecții de desen. La recomandarea pictorului peisagist Jacob Philipp Hackert, cuplul regal a restaurat statuile palatului Farnese și le-a adus la Neapole, iar în 1784, suverana a fondat colonia filantropică San Leucio, un sat cu propriile sale legi, al cărui unic scop a fost să țeasă mătase.
Ca și mama ei, Maria Carolina a ales cu grijă viitorii parteneri ai copiilor săi, căsătoriile urmând să cimenteze alianțele politice alese de ea însăși, iar decesul Ducesei Elisabeta de Württemberg, soția nepotului ei, Prințul Moștenitor Francisc al Austriei, i-a deschis calea de a-și împlini ambițiile maritale.
Destinul celor optsprezece copii ai cuplului regal al Neapolelului a fost foarte divers. Fiica cea mare, Maria Teresa, care fusese botezată după bunica maternă, împărăteasa Maria Terezia a Austriei, s-a căsătorit cu vărul ei primar, Francisc al II-lea. Maria Luisa s-a căsătorit cu Ferdinand al III-lea de Toscana, dar următorii doi născuți, Carlos Tito și Maria Anna, au murit de variolă înainte de a împlini 4 ani. Primul băiat supraviețuitor, Francisc I, a devenit rege al celor Două Sicilii, iar Maria Cristina Amalia s-a căsătorit cu Carol Felix al Sardiniei.
Următorii patru copii au fost gemenele Maria Christina Theresa și Maria Cristina Amalia, ultima dintre ele murind de variolă la vârsta de 4 ani, Carlo Antonio și Giuseppe Felix, și ei morți de variolă în copilărie, apoi Maria Amalia, care s-a căsătorit cu viitorul rege al Franței, Ludovic-Filip, Maria Carolina, care a murit chiar în ziua nașterii, Maria Antonia, care s-a căsătorit cu Ferdinand al VII-lea, viitorul rege 
al Spaniei. Următorii trei copii, Maria Clothilda, Maria Henrietta și Carlo Gennaro, au murit în copilărie tot de variolă. A urmat Leopoldo Giovanni, care s-a căsătorit cu nepoata sa, Clementina, Prințesă de Salerno, și, în cele din urmă, Alberto Maria și Maria Isabella, morți și ei înainte de a împlini șapte ani.
Când sora reginei, Maria Antoaneta a Franței, a fost executată în octombrie 1793, Maria Carolina a fost atât de îngrozită de eveniment, încât a refuzat să mai vorbească franceza, „acea limbă monstruoasă” și a interzis operele revoluționare ale lui Galanti și Filangeri, care până atunci se bucuraseră de patronajul ei. În 1794, în urma descoperirii unui complot iacobin pentru răsturnarea guvernului, Maria Carolina a ordonat suprimarea francmasonilor, a căror susținătoare fusese, crezând că aceștia participă la mișcări revoluționare cu francezii.
În plus, a ordonat mobilizarea permanentă a armatei, ceea ce a provocat o creștere uriașă a impozitelor. Temându-se pentru siguranța familiei sale, suverana a angajat oameni care să testeze mâncarea și schimba zilnic dormitoarele în care se odihnea familia regală.
Încetarea ostilităților franco-spaniole în vara anului 1795 i-a oferit lui Napoleon Bonaparte ocazia de a se concentra asupra campaniei sale din Italia. Regina a decis atunci să intre într-o alianță defensivă secretă cu Austria, pe 20 mai 1798, ca răspuns la ocuparea de către Franța a Statelor Papale, apoi a hotărât să se alăture celei de-a doua coaliții împotriva Franței. În acel moment Napoleon a găsit un motiv să acționeze. Generalul francez Jean Étienne Championnet a reușit să ocupe statul în ianuarie 1799 și a forțat familia regală să fugă în Sicilia.
Pe 24 ianuarie 1799, trupele franceze conduse de generalul Championnet au proclamat la Neapole Republica Partenopeană, iar în perioada republicană a fost instalat un guvern condus de Ercole D’Agnese, care a proclamat libertatea presei, până la acel moment cenzurată, și a pregătit viitoare reforme în regat.
Cu toate acestea, după doar 6 luni, tânăra republică s-a prăbușit, amiralul Nelson fiind cel care i-a învins pe francezi la mijlocul anului 1799, oferind din nou tronul cuplului regal care s-a întors din exil.
În iunie 1800, Maria Carolina a călătorit cu cele trei fiice necăsătorite ale sale și cu fiul ei mai mic, Leopoldo, fiind însoțită de amiralul Nelson și de amanta acestuia, Emma Hamilton, la Viena. Regina a stat doi ani în țara natală, încercând să aranjeze căsătorii avantajoase pentru copiii săi, și s-a întors acasă pe 17 august 1802. Se spune că Napoleon a susținut atunci că regina era singurul bărbat din Regatul Neapole. Evenimentele internaționale s-au succedat însă rapid și Maria Carolina a fost surprinsă de vestea înfrângerii Austriei în bătălia de la Austerlitz, pe 2 decembrie 1805.
Bonaparte l-a instalat apoi mai întâi pe fratele său, Joseph Bonaparte și patru ani mai târziu pe cumnatul său, Joachim Murat, pe tronul statului, iar familia regală a fost nevoită să fugă în Sicilia în februarie 1806.
În cele din urmă, în 1813, soțul Mariei Carolina a abdicat neoficial și l-a numit în locul său ca regent pe fiul lor cel mare, Francisc I. Regina a plecat spre Viena, iar în timpul călătoriei sale a primit vestea înfrângerii lui Napoleon în bătălia de la Leipzig din 19 octombrie 1813. Ajunsă în capitala imperiului în ianuarie 1814, a început imediat negocierile cu Prințul Metternich și cu nepotul ei, împăratul Francisc I al Austriei, pentru restaurarea soțului pe tron.
Maria Carolina a murit pe 8 septembrie 1814, la vârsta de 62 de ani, ca urmare a unui accident vascular cerebral, fără să fi aflat de înfrângerea finală a lui Napoleon și fără să apuce să vadă restaurarea pe tron a soțului ei de către Congresul de la Viena. Servitoarea ei a găsit-o pe regină prăbușită pe podea, printre mai multe scrisori împrăștiate pe jos.
Maria Carolina a fost înmormântată în Cripta Imperială din Viena, necropola regală a Habsburgilor, unde se odihnesc părinții și mulți dintre frații ei.
