Karoline Michaelis besuchte die Luisenschule in Berlin und verfaßte 1867 ihren ersten kleinen romanistischen Beitrag. Da ihr als Frau zu jener Zeit die Tore der Berliner Universität verschlossen blieben, erwarb sie vor allem aus Büchern und mit Unterstützung des Berliner Romanisten Carl Goldbeck ihre Kenntnisse in den romanischen, indogermanischen und semitischen Sprachen, in Sprachwissenschaft und Philologie. Sie heiratete 1876 Joaquim de Vasconcelos, den späteren Begründer der portugiesischen Kunstgeschichtsschreibung, und ging mit ihm als Carolina Michaëlis de Vasconcelos nach Porto. Im selben Jahr erschien bei Brockhaus in Leipzig ihre „Romanische Wortschöpfung“. Mit 26 Jahren wurde sie Ehrenmitglied der „Berliner Gesellschaft für das Studium der neueren Sprachen und Literaturen“, 1893 verlieh man ihr die Ehrendoktorwürde der Universität Freiburg. 1912 wurde sie in Coimbra als erste Frau an einer portugiesischen Universität Professor für romanische und germanischer Philologie. 1916 erhielt sie die Ehrendoktorwürde der Universität Coimbra, später auch der Universität Hamburg. 1911 bereits war sie in die Akademie der Wissenschaften zu Lissabon aufgenommen worden. Sie verfasste vor allem sprachwissenschaftliche und literarisch-philologische Arbeiten, Arbeiten zum Romanischen im allgemeinen sowie zum Spanischen und zum Portugiesischen. Die Vorlesungen in Coimbra zur portugiesischen Philologie wurden 1946 als „Lições de filologia portuguesa“ veröffentlicht. 1993 wurde an der Universität Trier ein Lehrstuhl für Portugiesische Kulturwissenschaft eingerichtet, der nach Carolina Michaëlis de Vasconcelos benannt ist; der Name wird jedoch nur von portugiesischer Seite verwendet.