Sinh ra tạo lâu đài Berg, Charlotte là con gái thứ hai của William IV, Đại Công tước của Luxembourg và vợ ông, Infanta Marie Anne của Bồ Đào Nha.

Khi chị gái của cô, Marie-Adélaïde, Nữ Đại Công tước của Luxembourg, người đã kế vị cha mình, bị buộc phải thoái vị vào ngày 14 tháng 01 năm 1919, Charlotte trở thành Đại công tước của Luxembourg và phải đối phó với những khuynh hướng cách mạng trong cả nước. Không giống như chị gái của mình, cô quyết định không can thiệp vào chính trị của Luxembourg.