Ze was de derde dochter van Filips II, hertog van Orléans (1674-1723) en diens vrouw Françoise Marie van Bourbon (1677-1749), beter bekend onder de naam Mademoiselle de Blois (een beleefdheidstitel). Charlotte stond niet bekend als bijzonder mooi, maar wel als een levendig persoon en vooral erg zelfverzekerd. Haar vader had een speciale band met haar en spendeerde aandacht aan haar opvoeding. In 1717 begon Charlotte een affaire met de hertog van Richelieu. Toen de hertog werd aangehouden en gevangengenomen in 1719, hij werd er namelijk van verdacht deel te hebben genomen aan de samenzwering van Cellemare, bezocht Charlotte hem meerdere malen in de gevangenis. Ze vroeg haar vader, die toen Regent was van Frankrijk, om hem vrij te laten zodat ze konden trouwen. Een eerdere poging om Charlotte uit te huwelijken aan de koning van Sardinië, faalde.
Nadat de Regent een alliantie had gevormd met Engeland, stelde Rinaldo III, hertog van Modena een huwelijk voor tussen zijn zoon, de latere Francesco III (1698-1780) en Charlotte. Het huwelijk vond plaats in 1720 en Charlotte ontving een enorme bruidsschat: 1,8 miljoen pond, de helft werd door de koning van Frankrijk betaald. Charlotte en Francesco kregen negen kinderen:
Charlotte verveelde zich in Modena en de Hertog de Richelieu bezocht haar meerdere malen in vermomming. Charlotte wilde, koste wat kost, van haar echtgenoot scheiden en terugkeren naar Frankrijk. Toen zij dit deed verwelkomde koning Lodewijk XV haar allerminst hartelijk en dwong haar tot een afgelegen en gemarginaliseerd leven in Parijs. Ze stierf op 19 januari1761.
