Lorsqu'ils étaient en Angleterre, Caroline a aidé son frère dans ses travaux scientifiques. Elle l'a aidé à découvrir Uranus avec un télescope de 1,80 m. On attribue à William la découverte d'Uranus. Il a été fait chevalier en raison de sa découverte, et elle était son assistante. Elle a enregistré et accompli des tâches pour lui. Ses calculs et ses enregistrements étaient toujours précis. Ils ont fait gagner beaucoup de temps à son frère. Caroline travaillait souvent sur ses propres découvertes. Elle a découvert de façon indépendante le deuxième compagnon de la galaxie d'Andromède (Messier 110 ; NGC 205) et une autre nébuleuse, nouvelle. Elle a également découvert huit comètes en 1786-1795.
Elle a retravaillé le catalogue des nébuleuses et des amas d'étoiles de Flamsteed. Le résultat a été publié par la Royal Society en 1798 et contenait un index de toutes les observations de chaque étoile faites par Flamsteed, une liste des errata et une liste de plus de 560 étoiles qui n'avaient pas été incluses. En 1825, Caroline a fait don des travaux de Flamsteed à l'Académie royale de Göttingen.
Elle a été la première femme à découvrir une comète. Elle a découvert sept autres comètes entre 1789 et 1797. La comète 35P/Herschel-Rigollet est nommée en son honneur, ainsi que le cratère lunaire C. Herschel, et le planétoïde (281) Lucrèce. Elle est également célèbre pour son travail avec son frère. Elle l'a aidé dans ses études. Elle a réorganisé le catalogue britannique de John Flamsteed, qui répertoriait près de 3 000 étoiles.
Le frère d'Herschel meurt en 1822 et la laisse sans soutien financier. Elle est retournée à Hanovre après sa mort et a reçu son allocation de la famille royale britannique. Elle a également aidé le fils de son frère à terminer le travail de son père.