A régi római katolikus főnemesi gróf zicsi és vázsonykeői Zichy családnak a leszármazottja volt. Szülei gróf zicsi és vázsonykeői Zichy Károly (1785–1876) császári és királyi kamarás, földbirtokos és gróf németújvári Batthyány Antónia (1789–1825) voltak, testvérei közül a legismertebb nővére, Batthyány Lajosné Zichy Antónia. 1836. május 16-án, Pozsonyban férjhez ment gróf Károlyi Györgyhöz. Karolina a reformkor meghatározó nőalakja volt, aki szépségével és intelligenciájával sokakat lenyűgözött. Hódolói közt volt Széchenyi István, Petőfi Sándor, sógorától, Batthyány Lajostól pedig lánya született, akit Károlyi Pálmának neveztek el. A két lánytestvér közül a közéletben, a védegyleti mozgalomban ő volt az aktívabb. Amikor 1844 novemberében, az országgyűlésről hazatérve, Petőfiék fáklyászenéje a házukhoz ért, az erkélyről bemutatta három fiát is, és megígérte, hogy jó hazafiakat nevel belőlük. Az ünneplést követő napon - Széchenyi naplója szerint - személyesen járta végig Pest kereskedőit a magyar áruk ügyében. A szabadságharc veresége után - a férjétől különválva - emigrált: előbb Genfiben élt Klapka Györggyel, majd Velencében, Vicenzában, Genovában tartózkodott. 1877-ben férje elhunyt. 1880-ban hazatért és Parádsasvárra költözött egyik fia kastélyába, majd Pesten a Károlyi-palotában élt. Unokája, Károlyi Mihály, a leendő miniszterelnök biztatta, hogy írja meg életét. „Nem tehetem, mert az igazat nem írhatom, hazudni pedig nem fogok”.