Crebbe alla corte del re Augusto II di Polonia, la cui moglie Cristiana Eberardina di Brandeburgo-Bayreuth era stata la sua madrina di battesimo, oltre che cugina di sua madre. Ricevette una buona educazione, più completa di quella solita per le nobili del tempo.
Sul finire del 1709 lo zar russo Pietro il Grande invio a Dresda suo figlio, lo zarevicAlessio (1690 – 1718), per completare la propria educazione, dove conobbe Carlotta. Pietro approvò un matrimonio fra i due, in quanto la sorella maggiore di Carlotta, Elisabetta Cristina, era la moglie dell'Imperatore Carlo VI, e la Russia avrebbe potuto guadagnare l'appoggio austriaco nell'imminente guerra contro i Turchi.
Il 14 ottobre 1711 a Torgau Carlotta sposò lo zarevic Alessio. Le fu consentito di mantenere la fede luterana, ma con l'impegno che i figli sarebbero stati allevati invece nella fede ortodossa. Questo matrimonio ruppe l'antica tradizione per cui gli zar erano soliti sposare fanciulle provenienti dall'aristocrazia russa, facendo di Carlotta il primo membro della famiglia imperiale russa a provenire da una dinastia europea straniera. Nel 1713 Pietro le concesse il titolo di Zesarevna, Principessa Ereditaria di Russia, e nello stesso anno Carlotta si trasferì in Russia.
Carlotta godeva del favore del suocero, lo zar Pietro il Grande, ma il matrimonio fu infelice poiché Alessio, che l'aveva sposata contro la sua volontà, la ignorava anche in pubblico e, nel 1714, portò a corte la propria amante, la finlandese Afrosina.
Il matrimonio diede comunque frutto, dal momento che in pochi anni Carlotta partorì due figli, una femmina e un maschio. Morì nel 1715, di febbre puerperale poco dopo il secondo parto, con cui diede alla luce il futuro zar Pietro II. Il suo corpo fu inumato nella Cattedrale dei Santi Pietro e Paolo a San Pietroburgo.
Circa mezzo secolo dopo la sua morte, cominciarono a circolare voci secondo le quali Carlotta non sarebbe morta nel 1715 ma sarebbe fuggita e vissuta quindi negli Stati Uniti d'America con un ufficiale francese, rientrando in Europa in tarda età ed ivi permanendo, grazie al sostegno finanziario della nipote, l'imperatrice Maria Teresa d'Austria.
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