O ślubie księżniczki zdecydował jej ojciec który wybrał na jej męża ówczesnego następcę tronu Saksonii, księcia Antoniego Wettyna, syna księcia-elektora Fryderyka Krystiana i Marii Antoniny Wittelsbach, który był bliskim kuzynem szwagrów przyszłej panny młodej, których matką była Maria Józefa Saska. Pomimo zastrzeżeń Marii Karoliny, została ona zaślubiona per procura w Palazzina di caccia of Stupinigi w dniu 29 września 1781, a następnie w Dreźnie 24 października 1781 osobiście z mężem. Uroczystości w Sabaudii były pełne imprez w Pałacu Królewskim, w którym się narodziła, a także w Palazzo Gontieri.
Maria Karolina opuściła dom niechętnie we wrześniu 1781 r. Jej rodzina towarzyszyła jej aż do Vercelli, gdzie musiała podobno zostać wypchnięta z powozu, aby odjechać do swej nowej ojczyzny. Po jej przybyciu do Saksonii, w związku ze śmiercią w 1780 roku matki księcia Antoniego, została członkinią saksońskiego domu panującego, ustępując rangą tylko bratowej swojego męża, księżnej Amalii z Wittelsbachów, tj. żonie Fryderyka Augusta, ówczesnego władcy Saksonii.
Życie na drezdeńskim dworze nie trwało długo. Maria Karolina zaraziła się ospą i zmarła w Dreźnie 28 grudnia 1782 roku. Po jej śmierci Antoni Wettyn poślubił Marię Teresę Habsburg.
