Дочь великого герцога Люксембургского Вильгельма IV и Марии Анны Португальской.
Шарлотта встала во главе государства 15 января 1919 года после отречения старшей сестры Марии Аделаиды. Во время референдума 28 сентября 1919, касающегося новой конституции, 77,8 % населения Люксембурга голосовали за продолжение велико-герцогской монархии с Шарлоттой в качестве главы государства. С принятием конституции власть монарха стала четко регламентированой.
6 ноября 1919 Шарлотта вышла замуж за Феличе Бурбон-Пармского (1893—1970), принца Пармского, сына Роберта I Пармского. Дети:
- Жан (р. 1921)
- Елизавета (1922—2011)
- Мария Аделаида (1924—2007)
- Мария Габриелла (р. 1925)
- Карл (1927—1977)
- Аликс (р. 1929), супруга Антуана, 13-го принца де Линь (1925—2005).
Во время Второй мировой войны правящее семейство покинуло Люксембург незадолго до немецкой оккупации. С 1943 года, великая герцогиня Шарлотта обосновалась в Лондоне, откуда управляла Люксембургским правительством. Любимая народом, она стала символом сопротивления государства. Вернувшись в страну в апреле 1945, она совершила поездку по регионам пострадавшим в войне. В 1956 Шарлотта получила от папы римского Пия XII Золотую розу. Это искусственная роза с лепестками из золота, которой папа римский редко и в исключительных случаях награждает католических принцесс и женщин-монархов.
12 ноября 1964 великая герцогиня Шарлотта отреклась в пользу старшего сына Жана.
В 1969 Шарлотта и принц Феличе отпраздновали 50-летие совместной жизни. Принц умер год спустя. Последний раз Шарлотта появилась на публике в мае 1985 на встрече с папой римским Иоанном Павлом II. Она умерла 9 июля 1985 года и похоронена в усыпальнице собора Нотр-Дам дё Люксембург.
С ее смертью прекратила существование Нассауская династия Люксембурга. Несмотря на это, её потомки сохранили титул Нассау, хотя принадлежат к дому Пармских Бурбонов.
