Era la tredicesima dei figli di Maria Teresa d'Austria e dell'imperatore Francesco I. Per suggellare un'alleanza con i Borbone di Spagna, nel 1768 venne data in sposa al re Ferdinando IV di Napoli, figlio di Carlo III di Spagna. Dall'unione nacquero diciotto figli e, dopo la nascita del primo erede maschio nel 1775, in base ai termini del contratto nuziale, Maria Carolina ebbe accesso al consiglio privato della corona.