Nacida en Kassel, era la mayor de los doce hijos nacidos del segundo matrimonio del landgrave Federico II de Hesse-Homburg con Luisa Isabel Kettler, princesa de Curlandia y Semigalia.
Su residencia principal era el Palacio Amarillo (en alemán: Gelbe Schloss) en Weimar, que fue construido entre 1702-1704.
La tutela de su único hijo superviviente, Juan Ernesto, fue dada a su cuñado, Guillermo Ernesto.
No obstante, Carlota se dedicó devotamente al cuidado de su hijo durante su enfermedad y muerte con 18 años, en 1715.
Carlota murió en Weimar a la edad de 66 años.