Die Benennung nach einem Vornamen erfolgte durch Beschluss vom 5. Juni 1895 – alle Straßen westlich der damaligen Kettwiger Chaussee, der heutigen Rüttenscheider Straße, bekamen männliche Vornamen, alle östlich davon weibliche. Ursprünglich hieß der Straßenzug der heutigen Vöcklinghauser StraßeKarolinenstraße. Er wurde 1937 zur heutigen Vöcklinghauser Straße umbenannt, womit der Name Karolinenstraße zunächst verschwand. Der Straßenzug der heutigen Karolinenstraße wurde 1939 von den NationalsozialistenVom-Rath-Straße genannt, ihr östlicher Teil jedoch zwischen dem 15. Mai 1945 und dem 22. Mai 1946 der Vöcklinghauser Straße angegliedert.
Die Karolinenstraße verbindet seit 1946 die Müller-Breslau-Straße mit der Isenbergstraße.