Charlene gặp Thân vương Albert II xứ Monaco vào năm 2000 tại cuộc thi bơi lội Mare Nostrum ở Monaco.[4][11] Hai người xuất hiện công khai lần đầu tại Lễ Khai mạc Thế vội Olympic Mùa Đông 2006.[1] Charlene đã đi cùng Albert II tham dự lễ cưới của Thái nữ Thụy Điển Victoria năm 2010 và lễ cưới của vợ chồng Thân vương xứ Wales (bấy giờ là Vương tôn William xứ Wales và Catherine Middleton) vào năm 2011.

Ngày 23 tháng 6 năm 2010, cung điện thông báo về lễ đính hôn của Charlene và Thân vương Albert II.[12][13][14][15] Nhẫn đính hôn của Charlene gồm có vien kim cương 3 carat hình quả lê ở trung tâm, xung qunah là những viên kim cương rực rỡ khác được cho là được thiết kế bởi thợ kim hoàn người Paris Repossi. Dù Hiến pháp Monaco không bắt buộc, Charlene vẫn cải đạo từ Tin Lành sang Công giáo.[16][17] Thân vương phi tương lai được dạy tiếng Pháp cùng phương ngữ Monaco cũng như là các nghi lễ cung đình châu Âu.[18]

Hôn lễ dự kiến được cử hành vào ngày 8 và 9 tháng 7 năm 2011, nhưng đã bị dời lên sớm hơn để tránh xung đột với buổi gặp mặt với Ủy ban Olympic Quốc tế (IOC) tại Durban từ ngày 5 đến 9 tháng 7, một sự kiện có sự tham gia của cả hai người. Hai người đã mời thành viên của IOC, bao gồm cả Chủ tịch Jacques Rogge đến tham dự lễ cưới.[19]

Hai vợ chồng kết hôn dân sự vào ngày 1 tháng 7 năm 2011 tại Phòng Ngai vàng thuộc Cung điện Thân vương Monaco.[1] Charlene được ghi nhận là đã khóc trong lễ cưới.[20] Nghi lễ kết hôn tôn giáo được tại sân của Cung điện vào ngày 2 tháng 7, được chủ trì bởi Tổng Giám mục Bernard Barsi.[1] Hai vợ chồng tận hưởng tuần trăng mật tại Mozambique.

Ngày 30 tháng 5 năm 2014, Cung điện thông báo rằng Thân vương phi Charlene đã mang thai. Ngày 9 tháng 10 năm 2014, cặp đôi đã xác nhận sẽ chào đón cặp song sinh vào cuối năm.[21][22] Ngày 10 tháng 12 năm 2014, Charlene đã hạ sinh cặp song sinh tại Trung tâm Bệnh viên Thân vương phi Grace.[23] Gabriella được sinh ra trước, sau đó là em trai Jacques, người thừa kế ngai vàng Monaco.[24]