Nata a Mantova, Carolina Magistrelli si iscrive nel 1875 alla Scuola normale di Firenze, dove conosce la compagna di corso Evangelina Bottero, con la quale condividerà molti anni di studio e di carriera come insegnante. Dopo aver ottenuto il diploma, la Magistrelli tenta con la Bottero di iscriversi all’Università: vengono ammesse nel 1880 al secondo anno della Facoltà di scienze fisiche, matematiche e naturali di Roma dopo un anno da "studente uditore". Tra l’aprile 1880 e il febbraio 1882 ottiene dal Ministero della pubblica istruzione quattro borse di studio straordinarie di perfezionamento in chimica, in scienze naturali e in geologia, effettuando ricerche sperimentali e laureandosi in  scienze naturali nel 1881.
L’anno successivo viene assunta all'Istituto superiore di magistero, fondato a Roma nello stesso anno: vi insegnerà scienze naturali fino all’anno della pensione, nel 1922, divenendone anche direttrice e insegnandovi per un certo periodo anche igiene e antropologia supplendo Maria Montessori. Avrà l’incarico anche di professore ordinario di scienze fisiche e naturali presso la Scuola tecnica femminile di Roma.
Pubblica nel 1883, insieme con Evangelina Bottero, il volume Il telefono, edito da Loescher: inserito nella collana «Biblioteca di scienza popolare», era un manuale di alto livello divulgativo, destinato a studenti universitari e tecnici.
Prosegue da sola la stesura di manuali, pubblicando nel 1888 a Roma con Paravia nella «Biblioteca di scienze fisiche, matematiche e naturali» i due volumi per le scuole tecniche e superiori Elementi di botanica (che avranno una seconda edizione riveduta ed ampliata alcuni anni dopo) e Elementi di zoologia, ai quali seguiranno nella stessa collana Elementi di fisica del 1890 e Elementi di chimica e mineralogia nel 1891.
All’intensa attività pubblicistica di divulgazione, Carolina Magistrelli affianca la partecipazione al dibattito sulla condizione femminile di quegli anni con il piccolo volume Conoscere ed amare nell'emancipazione della donna, edito da Loescher nel 1886.

Nella prefazione a Il telefono, pubblicato da Carolina Magistrelli con Evangelina Bottero nel 1883, l'illustre fisico Pietro Blaserna raccomanda il volume in quanto scritto con «chiarezza e sobrietà», e perché vi si può «legge[re] con interesse» della «teoria del telefono, che non è tanto semplice quanto si potrebbe supporla; e non è cosa facile il darne la spiegazione, perché questa richiede svariate conoscenze nei vari campi della fisica» [Bottero, Magistrelli, 1883, p. I].

Fascicolo personale Archivio Centrale dello Stato, Ministero pubblica istruzione, Direzione generale istruzione superiore, Fascicoli personale insegnante e amministrativo, II versamento, 1° serie, B. 86