El 10 de mayo de 1499, a la edad de 19 años, se casó en Blois con César Borgia, el hijo ilegítimo del papa Alejandro VI y Vannozza Cattanei.

Poco después de la boda, César acompañó al rey Luis en su invasión de Italia.

Carlota fue descrita como "bella y rica".

César y Carlota tuvieron una única hija juntos (aunque César tuvo por lo menos once hijos ilegítimos con varias amantes): Tras escapar de su prisión en España, César murió en el asedio de Viana el 12 de marzo de 1507 al servicio del hermano de Carlota, el rey de Navarra, con el que había buscado refugio.

En el siglo XXI existen muchos descendientes de César y Carlota, entre ellos el príncipe Sixto de Borbón.