29 października 1816 roku Karolina Augusta poślubiła Franciszka I, cesarza Austrii, króla Węgier i Czech. Została czwartą żoną cesarza, który był od niej starszy o 24 lata i miał trzynaścioro dzieci z dwiema poprzednimi żonami. Angielski dyplomata Fryderyk Lamb nazwał nową cesarzową „brzydką, mądrą i miłą”, a cesarz, jej mąż, powiedział o niej: „Wytrzymuje nacisk, druga osoba jest niczym innym jak tylko powietrzem”. Ślub, a właściwie ich pożycie małżeńskie, były bardzo proste dzięki ścisłej oszczędności preferowanej przez cesarza. Przed tym małżeństwem Karolina Augusta zawsze nazywana była Charlottą, ale teraz zaczęła używać imienia Karolina. lewo|mały|Portret Karoliny Augusty (autorstwa Eduarda Ritscha) Małżeństwo, które przetrwało aż do śmierci cesarza, prawie 20 lat później, było harmonijne, ale pozostało bezdzietne. Karolina Augusta zyskała popularność w Austrii i aktywnie działała społecznie: założyła kilka szpitali i domów pomocy dla ubogich. Po śmierci męża w 1835 roku przeniosła się do Salzburga i żyła tam do własnej śmierci, prawie cztery dekady później. Cesarzowa wdowa zmarła w lutym 1873 roku, dzień po swoich 81.