Od 7 stycznia 1681 roku była żoną margrabiego , syna elektora brandenburskiego Fryderyka Wilhelma Hohenzollerna. Po śmierci pierwszego męża w 1687 roku spisano umowy przedślubne i została zaręczona z królewiczem Jakubem Ludwikiem Sobieskim, synem Jana III Sobieskiego. Dnia 10 sierpnia 1687 roku potajemnie poślubiła księcia Pfalz-Neuburg, Karola III Filipa Wittelsbacha. Ślub wywołał skandal a sprawa była rozpatrywana na posiedzeniach Sejmu.
Jej drugie małżeństwo stało się dla magnackich rodów litewskich podstawą do działań prawnych i politycznych mających na celu pozbawienie księżnej i jej potomstwa praw do majątków w Rzeczypospolitej zwanych dobrami neuburskimi. Ostatecznie latyfundia po śmierci Ludwiki Karoliny Radziwiłł przypadły w XVIII wieku Radziwiłłom z Nieświeża.
Ludwika Karolina Radziwiłłówna zmarła w wyniku komplikacji poporodowych.
Z drugiego małżeństwa doczekała się czworga dzieci wychowanych w katolicyzmie: Leopoldyny Eleonory (ur. 1689, zm. 1693), Marii Anny (ur. 1690, zm. 1692), Elżbiety Augusty (ur. 1693, zm. 1728) i nieznanego z imienia syna (ur. i zm. 1695).