Elle se remarie une seconde fois civilement avec Stefano Casiraghi le 29 décembre 1983 au Palais de Monaco. Il décède le 3 octobre 1990 dans un accident de motonautisme.

Ils ont trois enfants :

    * Andrea Casiraghi (né le 8 juin 1984), deuxième dans l'ordre de succession au trône ;

    * Charlotte Casiraghi (née le 3 août 1986) ;

    * Pierre Casiraghi (né le 5 septembre 1987).

Ces enfants issus de ce deuxième mariage sont reconnus légitimes en regard de l'Église par le pape Jean-Paul II le 25 février 1993, décision rendue publique début avril 1993 et confirmée le 5 avril 1994 bien qu'issus d'un mariage purement civil : le constat de nullité du premier mariage de Caroline étant postérieur au décès de Stefano Casiraghi, décès qui a seul empêché tout mariage religieux ; Caroline avait fait une demande au pape en ce sens le 2 juillet 1992 dès le constat de nullité de son premier mariage. Ces enfants issus de ce second mariage étaient, du reste, déjà légitimes selon le droit monégasque du fait du mariage civil de leurs parents.