Là con gái duy nhất của Leopold I, vua của Bỉ, và người vợ thứ hai của ông, Louise of Mitchéans, Charlotte sinh ra tại Lâu đài Hoàng gia Laeken, Nước Bỉ. Cô được đặt theo tên người vợ đầu tiên của cha mình, Công chúa Charlotte xứ Wales, người đã chết khi sinh con vào năm 1817. Charlotte có ba anh em: Louis-Philippe, người đã chết lúc sơ sinh, Leopold, người qua đời của cha mình đã trở thành Leopold II của Bỉ và Philippe, Công tước của Flanders. Cô cũng là em họ với cả Nữ hoàng Victoria và chồng cô, Hoàng tử Albert, cũng như Ferdinand II của Bồ Đào Nha. Cô thuộc về Nhà Saxe-Coburg và Gotha.