Charlotte var andra dotter till storhertig Vilhelm IV (1852–1912) och efterträdde sin syster Marie-Adélaide (1894–1924), vilken abdikerade 1919 efter att ha varit tyskvänlig under första världskriget. Charlotte förmäldes samma år med prins Félix av Bourbon-Parma (1893–1970). Paret fick sex barn, bland dem storhertigen Jean, som tillträdde tronen vid sin mors abdikation 1964.