Además de con su hermano Alexander, con gran talento para la mecánica, William Herschel contaba con una excelente colaboradora: su hermana Caroline Lucretia Herschel (1750-1848).

Caroline fue una mujer excepcional. Vivió casi 98 años y dejó un diario muy detallado. En este diario explica cómo no siendo ni rica ni demasiado agraciada (a causa de haber padecido el tifus que atrofió su crecimiento y le causó pérdida de visión en el ojo izquierdo) no tenía posibilidad de acceder a un matrimonio satisfactorio y estaba destinada, en gran medida por su madre, a ser la criada de la familia en Hannover. No es de extrañar que aceptase gustosa la invitación que, en 1772, le hizo su hermano William (12 años mayor que ella) para que viniese a trabajar con él en Inglaterra.

Desde que llegó a Inglaterra, Caroline dedicó su vida a contribuir a la carrera de William. Durante la época en la que este fue simplemente músico, ella fue una buena soprano que solo cantaba bajo la dirección de su hermano, al que veneraba. Y cuando William abandonó la música, ella también se consagró a la astronomía y estuvo ayudándole durante medio siglo hasta que este murió en 1822. Abnegada y meticulosa asistente en las observaciones, ordenaba y clasificaba datos, realizaba cálculos, etc.

Caroline sacrificaba las noches de sueño para realizar las anotaciones de las observaciones astronómicas que realizaba su hermano. William le construyó, en 1783, un telescopio con el que ella pudo dedicarse a buscar cometas. Entre 1786 y 1797, por sí misma descubrió, en el poco tiempo que tenía libre, ocho cometas, de los que seis llevan su nombre. Entre estos, es particularmente interesante el cometa periódico 35P/Herschel-Rigollet que fue descubierto por la astrónoma el 21 de diciembre de 1788 y reobservado por otros astrónomos en 1939-1940. Se trata de un cometa de tipo Halley con un periodo de 152 años, aproximadamente.

En 1787, el rey Jorge III asignó a Caroline un salario anual de 50 libras como astrónoma, por ello es considerada la primera astrónoma profesional de la historia. También fue la primera mujer que desempeñó un trabajo remunerado para el gobierno inglés y la primera mujer que publicó artículos científicos en las Philosophical Transactions de la Royal Society.

Caroline sufrió una dolorosa separación de su hermano William cuando este contrajo matrimonio, en 1788, con la acaudalada viuda Mary Baldwin Pitt. Caroline se vio entonces obligada a cambiar de domicilio, pero, no obstante, siguió trabajando con su hermano, regresando cada noche al observatorio. Sin embargo, esta separación de William hizo, a la larga, que Caroline se hiciese más independiente y que consiguiese mostrar su valía por derecho propio. Siguió trabajando en varios proyectos propios e hizo varios descubrimientos por sí misma. En agosto de 1799, respondiendo a una invitación de la familia real, Caroline pasó una semana en Greenwich.

Caroline trabajó con su hermano hasta la muerte de este en 1822. Pero cuando William falleció, Caroline abandonó Inglaterra y regresó a Hannover. Allí continuó con el trabajo en astronomía, ayudando también en el catálogo de nebulosas que su sobrino, John Herschel, estaba continuando. En 1828, la Royal Astronomical Society le otorgó su medalla de oro (un galardón que no volvería a recibir otra mujer hasta 1966, cuando fue asignado a Vera Rubin) y en 1835 fue elegida miembro honorario de la misma sociedad. En 1846 recibió la medalla de oro para la ciencia de Prusia.

Aunque era 12 años menor que William, Caroline sobrevivió a su hermano durante 24 años: murió en Hannover el 9 de enero de 1848, y fue enterrada junto a sus padres y a un mechón de su querido hermano en el cementerio de Gateenfemeinde de esa misma localidad. En su lápida puede leerse: "Los ojos de la que es glorificada aquí abajo se volvieron hacia el cielo estrellado".