Când se aflau în Anglia, Caroline și-a ajutat fratele în activitatea sa științifică. L-a ajutat să descopere Uranus cu un telescop de doi metri. William a fost creditat cu descoperirea lui Uranus. A fost făcut cavaler datorită descoperirii sale, iar ea i-a fost asistentă. Ea a înregistrat și a îndeplinit sarcini pentru el. Calculele și înregistrările ei erau întotdeauna precise. Îl făceau pe fratele ei să economisească mult timp. Caroline lucra adesea la propriile descoperiri. Ea a descoperit în mod independent al doilea companion al galaxiei Andromeda (Messier 110; NGC 205) și o altă nebuloasă, nouă. De asemenea, a descoperit opt comete în perioada 1786-1795.
A refăcut Catalogul de nebuloase și roiuri de stele al lui Flamsteed. Rezultatul a fost publicat de Royal Society în 1798 și conținea un index al fiecărei observații a fiecărei stele făcute de Flamsteed, o listă de erate și o listă cu peste 560 de stele care nu fuseseră incluse. În 1825, Caroline a donat lucrările lui Flamsteed Academiei Regale din Göttingen.
A fost prima femeie care a descoperit o cometă. Ea a descoperit alte șapte comete între 1789 și 1797. Cometa 35P/Herschel-Rigollet este numită în onoarea ei, la fel ca și craterul lunar C. Herschel și planetoidul (281) Lucretia. De asemenea, este renumită pentru activitatea sa împreună cu fratele său. Ea l-a ajutat în studiile sale. Ea a reorganizat Catalogul Britanic al lui John Flamsteed, care cuprindea aproape 3.000 de stele.
Fratele lui Herschel a murit în 1822 și a lăsat-o fără sprijinul financiar al acestuia. Ea s-a întors la Hanovra după moartea acestuia și și-a primit stipendiul de la familia regală britanică. De asemenea, ea l-a ajutat pe fiul fratelui ei să termine lucrarea tatălui său.