เจ้าหญิงแคโรไลน์ อเมลีเป็นพระราชธิดาในเฟรเดอริก คริสเตียนที่ 2 ดยุคแห่งชเลสวิช-ฮ็อลชไตน์-ซอนเดอร์บวร์ก-ออกัสเตนเบิร์กกับเจ้าหญิงหลุยส์ ออกัสตาแห่งเดนมาร์ก พระมารดาของเจ้าหญิงแคโรไลน์เป็นพระราชธิดาพระองค์เดียวในพระเจ้าคริสเตียนที่ 7 แห่งเดนมาร์กกับแคโรไลน์ มาทิลดาแห่งบริเตนใหญ่ ประสูติในวันที่ 28 มิถุนายน พ.ศ. 2339 ณ กรุงโคเปนเฮเกน เจ้าหญิงทรงประทับอยู่ที่กรุงโคเปนเฮเกน จนกระทั่งในปีพ.ศ. 2350 เจ้าหญิงและพระราชวงศ์ได้เสด็จย้ายไปประทับที่ออกัสเตนเบิร์ก

ในปีพ.ศ. 2357 เจ้าหญิงทรงหมั้นกับเจ้าชายคริสเตียน รัชทายาทแห่งราชบัลลังก์เดนมาร์ก และอภิเษกสมรสในปีพ.ศ. 2358 เจ้าชายคริสเตียนทรงหย่ากับดัสเชสชาร์ล็อต เฟรเดอริกาแห่งเม็คเคลนบวร์ก-ชเวรีน พระมเหสีองค์แรกในปีพ.ศ. 2353 เนื่องจากทรงทราบว่าดัสเชสชาร์ล็อตทรงคบชู้กับฌอง แบ็ปติสท์ เอตัวอาร์ต ดู พีย์ นักดนตรีชาวสวิสจนกลายเป็นเรื่องอื้อฉาวไปทั่วประเทศ เจ้าชายคริสเตียนทรงหย่าและเนรเทศพระนางออกจากประเทศโดยไม่ให้พบกับพระโอรสอีก แม้พระนางจะทรงวิงวอนก็ตาม หลังจากนั้นพระนางก็ยังทรงมีเรื่องอื้อฉาวมากมายจนกระทั่งสิ้นพระชนม์ เจ้าชายได้เสด็จกลับประเทศเดนมาร์กหลังจากทรงสละราชบัลลังก์นอร์เวย์ เจ้าชายคริสเตียนทรงตั้งพระทัยที่จะอุทิศพระองค์แก่วิทยาศาสตร์,แร่วิทยาและธรณีวิทยา ในขณะที่เจ้าชายคริสเตียนทรงให้ความสนพระทัยด้านวิทยาศาสตร์ เจ้าหญิงแคโรไลน์กลับสนพระทัยในด้านการประพันธ์ พระนางได้ประพันธ์บทเพลงเปียโนมากมาย เจ้าหญิงแคโรไลน์ทรงทนยอมรับได้กับพฤติกรรมการนอกพระทัยของพระสวามี ทรงถือว่าเป็นสิ่งที่เหมาะสมและเหมาะสมแล้วสำหรับผู้หญิงที่มีเวลา

ในระหว่างปีพ.ศ. 2359 ถึงพ.ศ. 2360 ทั้งสองพระองค์ทรงประทับร่วมกันที่ โอเดนซ์ ที่ซึ่งเจ้าชายคริสเตียนทรงได้รับการแต่งตั้งให้เป็นผู้ว่าราชการแห่งฟิโอเนีย ในระหว่างปีพ.ศ. 2361 ถึงพ.ศ. 2365 พระนางได้เสด็จประพาสทั่วยุโรปหลายครั้งร่วมกับพระสวามี

ในปีพ.ศ. 2382 เมื่อพระเจ้าเฟรเดอริกที่ 6 แห่งเดนมาร์กเสด็จสวรรคต เจ้าชายคริสเตียนได้เสด็จขึ้นครองราชย์ โดยมีพระนามว่า พระเจ้าคริสเตียนที่ 8 แห่งเดนมาร์กและเจ้าหญิงแคโรไลน์ อเมลีได้รับการสถาปนาขึ้นเป็น สมเด็จพระราชินีแห่งเดนมาร์ก พระนางทรงได้รับการถวายพระเกียรติให้ทรงดนตรีในงานเลี้ยงของผู้สนับสนุนเยอรมันซึ่งเป็นงานเลี้ยงที่สำคัญของรัฐชเลสวิช-ฮ็อลชไตน์ บทบาทด้านการเมืองของพระนางนั้นไม่ชัดเจน แต่พระนางได้ถูกกล่าวหาว่าพยายามทำให้เดนมาร์กและชเลสวิช-ฮ็อลชไตน์เกิดความขัดแย้งและเป็นศัตรูกัน และทรงถูกกล่าวหาว่าทรงเป็นสายลับให้แก่คริสเตียน ออกุสต์ที่ 2 ดยุคแห่งชเลสวิช-ฮ็อลชไตน์-ซอนเดอร์บวร์ก-ออกัสเตนเบิร์ก ผู้เป็นพระอนุชาซึ่งต่อต้านเดนมาร์ก

พระนางแคโรไลน์ อเมลีทรงปฏิบัติพระราชกรณียกิจในแวดวงสังคมและการกุศลอยู่เสมอดังเช่น ทรงก่อตั้งสถานดูแลเด็กกำพร้า พระนางทรงให้การอุปถัมภ์นิโคลัส เฟรเดอริค เซเวริน กรุนดท์วิกประธานนักบวชคริสต์ศาสนาในเดนมาร์ก ถ้าไม่นับรวมเรื่องที่ชาวเดนมาร์กคลางแคลงในพระนางในเรื่องกรณีพิพาทระหว่างเดนมาร์กและชเลสวิช ถือว่าเป็นพระราชินีที่ค่อนข้างเป็นที่รักและเป็นที่นิยมชมชอบ และพระนางทรงปฏิบัติพระกรณียกิจต่าง ๆ สืบต่อจนแม้จะทรงเป็นสมเด็จพระพันปีหลวง

สมเด็จพระเจ้าคริสเตียนที่ 8 แห่งเดนมาร์ก พระสวามีเสด็จสวรรคตด้วยพระโรคภาวะโลหิตเป็นพิษเหตุจากการติดเชื้อในวันที่ 20 มกราคม พ.ศ. 2391 ณ พระราชวังอามาเลียนเบอร์ก โคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก สิริพระชนมายุ 61 พรรษา และพระนางมีพระชนม์ชีพยืนยาวกว่าพระสวามีกว่า 30 พรรษา และมีพระชนมายุยืนยาวจนได้ทอดพระเนตรพระเจ้าคริสเตียนที่ 9 แห่งเดนมาร์ก ขึ้นครองราชย์และพระราชนัดดาของพระนางคือ ลูอีเซอแห่งเฮ็สเซิน-คัสเซิลได้เป็นสมเด็จพระราชินี

สมเด็จพระพันปีหลวงแคโรไลน์ อเมลีสิ้นพระชนม์ในวันที่ 9 มีนาคม พ.ศ. 2424 ณ กรุงโคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก สิริพระชนมายุ 84 พรรษา พระนางสิ้นพระชนม์โดยปราศจากพระโอรสธิดา ทรงดำรงพระชนม์ชีพถึง 5 รัชกาลได้แก่ พระเจ้าคริสเตียนที่ 7 แห่งเดนมาร์ก,พระเจ้าเฟรเดอริกที่ 6 แห่งเดนมาร์ก,พระเจ้าคริสเตียนที่ 8 แห่งเดนมาร์ก,พระเจ้าเฟรเดอริกที่ 7 แห่งเดนมาร์ก,พระเจ้าคริสเตียนที่ 9 แห่งเดนมาร์ก พระบรมศพถูกฝังที่มหาวิหารร็อคสไลด์เคียงข้างพระเจ้าคริสเตียนที่ 8 พระสวามี