อาร์ชดัชเชสมารี แคโรไลน์ ประสูติเมื่อวันที่ 8 เมษายน พ.ศ. 2344 เป็นพระราชธิดาองค์ที่ 6 และพระราชบุตรองค์ที่ 8 ในสมเด็จพระจักรพรรดิฟรานซ์ที่ 2 แห่งโรมันอันศักดิ์สิทธิ์ (พระราชโอรสในสมเด็จพระจักรพรรดิลีโอโพลด์ที่ 2 แห่งโรมันอันศักดิ์สิทธิ์ และเจ้ามาเรีย หลุยซ่าแห่งสเปน) และพระมเหสีองค์ที่ 2 เจ้าหญิงมาเรีย เทเรซ่าแห่งทู ซิชิลีส์ (พระราชธิดาในสมเด็จพระราชาธิบดีเฟอร์ดินานด์ที่ 1 แห่งทู ซิชิลีส์) พระองค์ได้รับพระราชทานพระนามจากพระราชบิดา ซึ่งได้มาจากพระนามของพระเชษฐภัคินีของพระองค์ อาร์ชดัชเชสมารี แคโรไลน์ ซึ่งสิ้นพระชนม์กะทันหัน เมื่อยังทรงเป็นทารก