Quando eles estavam na Inglaterra, Caroline ajudou seu irmão em seu trabalho científico. Ela o ajudou a descobrir Urano com um telescópio de 1,80 m. William foi creditado com a descoberta de Urano. Ele foi nomeado cavaleiro por causa de sua descoberta, e ela foi sua assistente. Ela gravou e completou tarefas para ele. Seus cálculos e manutenção de registros sempre foram precisos. Eles pouparam muito tempo a seu irmão. Caroline trabalhava frequentemente em suas próprias descobertas. Ela descobriu independentemente a segunda companheira da Galáxia Andrómeda (Messier 110; NGC 205) e outra, nova, nebulosa. Ela também descobriu oito cometas em 1786-1795.
Ela reelaborou o Catálogo de Nebulosas e Aglomerados de Estrelas de Flamsteed. O resultado foi publicado pela Royal Society em 1798 e continha um índice de cada observação de cada estrela feita por Flamsteed, uma lista de erratas e uma lista de mais de 560 estrelas que não haviam sido incluídas. Em 1825, Caroline doou as obras de Flamsteed para a Academia Real de Göttingen.
Ela foi a primeira mulher a descobrir um cometa. Ela descobriu mais sete cometas entre 1789 e 1797. O cometa 35P/Herschel-Rigollet é nomeado em sua homenagem, assim como a cratera lunar C. Herschel, e o planetóide (281) Lucretia. Ela também é famosa por seu trabalho com seu irmão. Ela o ajudou em seus estudos. Ela reorganizou o Catálogo Britânico de John Flamsteed, que listou quase 3.000 estrelas.
O irmão de Herschel morreu em 1822 e a deixou sem seu apoio financeiro. Ela retornou a Hannover após sua morte e recebeu seu estipêndio da Família Real Britânica. Ela também ajudou o filho de seu irmão a terminar o trabalho de seu pai.