Quando erano in Inghilterra, Caroline aiutò suo fratello nel suo lavoro scientifico. Lo aiutò a scoprire Urano con un telescopio di due metri. A William fu attribuita la scoperta di Urano. Fu nominato cavaliere per la sua scoperta e lei era la sua assistente. Registrava e completava i compiti per lui. I suoi calcoli e le sue registrazioni erano sempre accurati. Fecero risparmiare molto tempo al fratello. Caroline lavorava spesso alle sue scoperte. Scoprì indipendentemente la seconda compagna della galassia di Andromeda (Messier 110; NGC 205) e un'altra nuova nebulosa. Scoprì anche otto comete nel 1786-1795.
Rielaborò il Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars di Flamsteed. Il risultato fu pubblicato dalla Royal Society nel 1798 e conteneva un indice di tutte le osservazioni di ogni stella fatte da Flamsteed, una lista di errori e una lista di più di 560 stelle che non erano state incluse. Nel 1825, Caroline donò le opere di Flamsteed all'Accademia Reale di Göttingen.
Fu la prima donna a scoprire una cometa. Scoprì altre sette comete tra il 1789 e il 1797. La cometa 35P/Herschel-Rigollet è chiamata in suo onore, così come il cratere lunare C. Herschel, e il planetoide (281) Lucretia. È anche famosa per il suo lavoro con suo fratello. Lo aiutò nei suoi studi. Riorganizzò il catalogo britannico di John Flamsteed, che elencava quasi 3.000 stelle.
Il fratello di Herschel morì nel 1822 e la lasciò senza il suo sostegno finanziario. Tornò ad Hannover dopo la sua morte e ricevette il suo stipendio dalla famiglia reale britannica. Aiutò anche il figlio di suo fratello a finire il lavoro di suo padre.