Karoline Stern wurde 1800 in Mainz geboren, sie war die Tochter des jüdischen Violinisten Joachim Stern und dessen Ehefrau Regina, geborene Bamberger. Von ihrem Vater erhiehlt sie ihren ersten Gesangs- und Musikunterricht. Später übernahm der Musiklehrer Anton Joseph Heideloff ihre Ausbildung. Im Oktober 1816 debütierte sie am Nationaltheater in Trier und wurde danach schnell eine gefragte Sängerin. Während eines Engagements in Düsseldorf lernte sie die Familie Heine kennen und inspirierte Heinrich Heine zu seinem Gedicht "An eine Sängerin". Nach einem Engagement in Aachen wurde Karoline Stern 1819 Primadonna am Hoftheater in Stuttgart. 1825 kam sie zurück in ihre Geburtsstadt Mainz. Es folgten Engagements in München, Augsburg und Würzburg. Sie sang die Hauptrollen in vielen Opern von Mozart, Rossini, Weber oder Meyerbeer. 1841 beendete sie ihre Laufbahn als Opernsängerin, blieb aber bis 1855 noch als Konzertsängerin tätig. Ihren Lebensabend verbrachte sie in Berlin. Sie war mit dem Musiker Joseph Stern verheiratet. Das Paar hatte einen Sohn, Julius Stern (1823-1904). Laut dem Rabbiner und Historiker Meyer Kayserling war Karoline Stern die erste jüdische Sängerin, die die Bühne betrat und zu ihrer Zeit gefeiert wurde.