Όταν βρίσκονταν στην Αγγλία, η Καρολίνα βοηθούσε τον αδελφό της στο επιστημονικό του έργο. Τον βοήθησε να ανακαλύψει τον Ουρανό με ένα τηλεσκόπιο δύο μέτρων. Στον Γουίλιαμ πιστώθηκε η ανακάλυψη του Ουρανού. Του απονεμήθηκε ο τίτλος του ιππότη λόγω της ανακάλυψής του και εκείνη ήταν η βοηθός του. Κατέγραφε και ολοκλήρωνε εργασίες γι' αυτόν. Οι υπολογισμοί της και η τήρηση των αρχείων της ήταν πάντα ακριβείς. Εξοικονόμησαν πολύ χρόνο στον αδελφό της. Η Καρολίν εργαζόταν συχνά σε δικές της ανακαλύψεις. Ανακάλυψε ανεξάρτητα τον δεύτερο συνοδό του γαλαξία της Ανδρομέδας (Messier 110- NGC 205) και ένα άλλο, νέο, νεφέλωμα. Ανακάλυψε επίσης οκτώ κομήτες το διάστημα 1786-1795.
Επεξεργάστηκε εκ νέου τον Κατάλογο Νεφελωμάτων και Σμηνών Αστέρων του Flamsteed. Το αποτέλεσμα δημοσιεύθηκε από τη Royal Society το 1798 και περιείχε ένα ευρετήριο κάθε παρατήρησης κάθε αστέρα που είχε κάνει ο Flamsteed, έναν κατάλογο των σφαλμάτων και έναν κατάλογο με περισσότερους από 560 αστέρες που δεν είχαν συμπεριληφθεί. Το 1825 η Καρολίνα δώρισε τα έργα του Flamsteed στη Βασιλική Ακαδημία του Γκέτινγκεν.
Ήταν η πρώτη γυναίκα που ανακάλυψε έναν κομήτη. Ανάμεσα στο 1789 και το 1797 ανακάλυψε άλλους επτά κομήτες. Ο κομήτης 35P/Herschel-Rigollet πήρε το όνομά της, όπως και ο σεληνιακός κρατήρας C. Herschel και ο πλανητοειδής (281) Lucretia. Είναι επίσης διάσημη για τη συνεργασία της με τον αδελφό της. Τον βοήθησε στις σπουδές του. Αναδιοργάνωσε τον βρετανικό κατάλογο του John Flamsteed, ο οποίος απαριθμούσε σχεδόν 3.000 αστέρια.
Ο αδελφός της Χέρσελ πέθανε το 1822 και την άφησε χωρίς την οικονομική του υποστήριξη. Επέστρεψε στο Ανόβερο μετά τον θάνατό του και έλαβε την υποτροφία της από τη βρετανική βασιλική οικογένεια. Βοήθησε επίσης τον γιο του αδελφού της να ολοκληρώσει το έργο του πατέρα του.
