Il fidanzamento della principessa Carolina e Guglielmo Ernesto, il regnante Granduca di Sassonia-Weimar-Eisenach dal 1901, venne annunciato il 10 dicembre 1902.[2] Si sposarono al Castello di Buckeburg (la casa di suo zio), il 30 aprile 1903.[3]
Il matrimonio fu infelice, poiché Carolina trovò la rigida etichetta di corte di Weimar intollerabile. La corte era considerata come una delle più soffocante della Germania.[4] Una fonte raccontò:
"Avvolge regalità lì in una specie di prigionia, e mentre il granduca si presta ad esso ed è troppo conservatore per ammettere di qualsiasi cambiamento, schiaccia con le sue impedimenti i membri più vivace della famiglia".[4]
Suo marito è stato descritto come:
"Uno dei più ricchi sovrani in Europa; impassibile, ben educato, intriso di grande orgoglio di razza, e un senso stretto di ciò che è dovuto per l'unto del Signore. Egli è anche uno dei sovrani più duramente rispettati e correttamente tedeschi... il Granduca è molto ottuso, e la sua corte e l'ambiente riflettono il suo carattere in questo senso a tale rispetto che Weimar è diventata la più triste delle capitale in Europa".[4]
Carolina provocò uno scandalo cercando rifugio in Svizzera; suo marito la seguì poco dopo, come fu fatto capire che non era fuggita dal matrimonio, ma invece aveva semplicemente cercato di stare lontano dal suo entourage a Weimar.[4][6] Infine fu indotta a tornare, ma ben presto perse la salute e cadde in melanconia. Morì diciotto mesi dopo il loro matrimonio, il 17 gennaio 1905, in circostanze misteriose.[4] La causa ufficiale della morte fu per la polmonite a seguito dell'influenza, ma altre fonti hanno suggerito il suicidio.[4] Il matrimonio rimase senza figli. Carolina fu l'ultimo membro del Casato di Sassonia-Weimar a essere sepolta nella Weimar Fürstengruft, la cripta della famiglia reale. Guglielmo Ernesto successivamente si risposò con la Principessa Feodora di Sassonia-Meiningen.