Karoline kết hôn với Maximilian, Công tước xứ Pfalz Zweibrücken tại Karlsruhe vào ngày 9 tháng 3 năm 1797. Hai năm sau đó Maximilian trở thành Tuyển hầu xứ Bayern.[4] Do sự giải thể của Đế quốc La Mã Thần thánh vào năm 1806, tước vị Tuyển hầu tước trở nên lỗi thời và Maximilian Joseph được nâng địa vị lên thành Quốc vương Bayern, do đó Karoline là Vương hậu đầu tiên của Bayern từ ngày 1 tháng 1 năm 1806.[2][5] Karoline có tám người con với chồng,[5] trong đó có hai cặp sinh đôi.
Một thỏa thuận của cuộc hôn nhân là Karoline được phép giữ đức tin Kháng Cách và có mục sư Kháng Cách của riêng mình.[5]
Qua đời
Karoline xứ Baden qua đời ngày 13 tháng 11 năm 1841, sống lâu hơn chồng bà mười sáu năm một tháng. Do theo đạo Tin lành, tang lễ của Vương hậu không được cử hành một cách xứng hợp, dẫn đến xảy ra sự phản đối từ công chúng: trong tang lễ của Karoline, tất cả các giáo sĩ Công giáo tham dự đều mặc trang phục bình thường thay vì lễ phục. Sự việc này đã khiến cho con riêng của chồng Karoline là Ludwig I của Bayern, vốn có thái độ gay gắt với đạo Tin lành dù đã kết hôn với Công nữ theo Kháng Cách là Therese xứ Sachsen-Hildburghausen có thái độ khoan dung hơn với đức tin Kháng Cách.[5]