El 1 de octubre de 1766, con 15 años de edad, Carolina Matilde se casó por poderes, en el Palacio de St. James, con su primo, el rey Cristián VII de Dinamarca y Noruega. Pocos días después, abandonó Inglaterra y a su familia rumbo a su nuevo hogar. La ceremonia formal de matrimonio, con ambas partes presentes, se celebró en el Castillo de Christiansborg, el 8 de noviembre de ese mismo año. El hermano mayor de Carolina Matilde, el rey Jorge III de Gran Bretaña, estaba ansioso por lograr este enlace, sin considerar la peligrosa enfermedad mental que el rey danés padecía.

El 28 de enero de 1768, en el Castillo de Christiansborg, Carolina Matilde daba a luz a su primogénito, el futuro rey Federico VI de Dinamarca y Noruega. En mayo de ese mismo año, el rey Cristián VII realizó un largo viaje por Europa, haciendo paradas en Altona, París y Londres. Entretanto, Carolina Matilde pasaba el verano en el Castillo de Frederiksborg con su hijo, antes de regresar a Copenhague para el otoño.

El rey volvió a Copenhague el 12 de enero de 1769, trayendo consigo al alemán Johann Friedrich Struensee como médico real, convirtiéndose después en ministro del reino. Se habían conocido en Altona durante el viaje real. Struensee aparentemente podía controlar la inestabilidad emocional del rey, con espanto de los consejeros del monarca, el cual confiaba cada vez más en él.

Carolina Matilde era infeliz en su matrimonio, olvidada y rechazada por el rey, afectado por su problema mental. Struensee animó al rey a ser más atento y afectuoso con su esposa, y Cristián VII mostró su atención hacia ella con una fiesta de tres días por su cumpleaños, el 22 de julio de 1769. La reina supo que era Struensee quien estaba detrás de esta inusitada muestra de afecto del rey, y comenzó a interesarse cada vez más en el encantador favorito. En la primavera de 1770, Struensee y Carolina Matilde se convirtieron en amantes.

El 17 de junio de 1771, la corte se trasladó al Palacio de Hirschholm —actualmente municipalidad de Hørsholm—. El 7 de julio, Carolina Matilde daba a luz a su segundo hijo, la princesa Luisa Augusta, cuyo verdadero padre era, casi sin lugar a dudas, Struensee.

La corte se traslada al Castillo de Frederiksborg el 19 de noviembre y finalmente regresa al Castillo de Christiansborg el 8 de enero de 1772. El primer baile oficial de máscaras del año se celebra, presidido por los soberanos, en el Teatro Real de Christiansborg el 16 de enero.

Carolina Matilde y Struensee son arrestados en sus habitaciones en la mañana del 17 de enero. La reina es enviada al Castillo de Kronborg en espera de su juicio.

Struensee y su colaborador, Enevold Brandt, son ejecutados el 28 de abril de 1772.

Después de obtener una confesión de su culpa a viva fuerza, Carolina Matilde es repudiada por su marido y desterrada de Dinamarca, embarcándose el 28 de mayo en una fragata inglesa rumbo a Celle, en Alemania. No volvería a ver a sus hijos nunca más.

Ella no perdió las esperanzas de volver a Dinamarca algún día y ver a su exmarido depuesto, pero su indiscreto comportamiento defraudó a su hermano, el rey Jorge III, el cual estuvo renuente a dejarla volver a Inglaterra, lo que Carolina Matilde deseaba desesperadamente.

Murió, víctima de una fiebre, en Celle, el 10 de mayo de 1775, a los 23 años de edad.