Née le 15 avril 1633 à Paris, fille d'un gentilhomme poitevin, le marquis de Boisy et d'Anne Marie Hennequin. Elle vit à Paris dans l'hôtel de Roannez situé dans le cloître Saint Merri où vivent des amis de Port-Royal.
La relation sentimentale entre Mlle de Roannez et Blaise Pascal n'a pas été prouvée et relèverait semble t-il d'une légende. Blaise Pascal et son frère le duc de Roannez ont influencé Charlotte de Roannez dans son chemin vers la conversion. Elle renonce à se marier avec le marquis d'Alluye. Elle est touchée par le « miracle » qui a guéri la nièce de Blaise Pascal, Marguerite Périer d'une fistule lacrymale en allant voir la Sainte Epine : « Dieu me fit la grâce de me donner une si forte envie de quitter le monde et d'entrer dans cette maison que je l'aurais fait à l'heure même si j'eusse pensé qu'on m'y eut voulu recevoir ». Elle décide de partir pour le monastère de Port-Royal et y fait un séjour de sept mois pendant lequel elle reçoit des lettres de Blaise Pascal « qui l'aident à mieux saisir la signification théologique de ses peines intérieures » : elles témoignent de la joie éprouvée par Blaise de voir l'évolution spirituelle de la jeune fille. Ces lettres dont il ne reste que des fragments recopiés sont publiées dans la première édition des Pensées dite de Port-Royal.
Charlotte de Roannez va se heurter à une très forte opposition (famille, contexte politique et religieux défavorable…) face à sa volonté de devenir religieuse au sein de l'institution de Port-Royal des Champs. Après son séjour, elle rentre à Paris et se heurte à l'opposition de sa famille (son frère, peut-être aussi Blaise Pascal) à entrer dans les ordres. Elle part à Port-Royal de Paris où elle est reçue comme postulante sous le nom de Charlotte de la Passion. Cependant, sa famille souhaite voir la jeune fille se marier et exerce sur elle une pression pour qu'elle quitte l'institution religieuse. Elle sort finalement contrainte et forcée par sa sœur et sa mère et vit dans la retraite et la solitude « en religieuse, vêtue d'une manière fort simple, sans carrosse, sans équipage et sans aucune marque extérieure de sa qualité ».
Charlotte est très attachée à Port-Royal et à Blaise Pascal. Mlle de Roannez est frappée par la mort de Blaise Pascal, celle de son autre maître spirituel Antoine Singlin, puis, en 1664 par le départ pour Clermont de la famille Périer qu'elle considère presque comme sa propre famille. Les persécutions contre les religieuses de Port-Royal rendent impossible sa volonté de devenir religieuse. Mlle de Roannez décide alors de retourner dans le monde tandis que son frère le duc de Roannez s'en sépare.
On la marie à François d'Aubusson, comte de la Feuillade le 26 avril 1667. Ils vivent à Paris Place Royale. Elle rompt ses liens avec Port-Royal mais maintient le contact avec la mère Agnès. Elle perd deux de ses enfants. En 1671, elle est gravement malade et lègue dans son testament trois milles livres à Port-Royal pour la réception d'une religieuse. Pendant sa maladie, elle médite sur la Prière pour le bon usage des maladies de Blaise Pascal. A la fin de sa vie, elle exprimera ses remords d'avoir rompu ses vœux religieux « Vous savez que je vous ai toujours dit confie-t-elle à Mme Petit que depuis mon mariage, j'ai toujours souhaité d'être à Port-Royal-des-Champs paralytique toute ma vie dans un lit préférablement à l'état où je suis, c'est à dire de mon mariage. Car par rapport à ma maladie, n'est-ce-pas une grande miséricorde de Dieu sur moi que de me faire souffrir ? ».
Elle meurt le 13 février 1683 après avoir subi plusieurs opérations douloureuses et elle est exhumée à l'église Saint-Laurent. Les religieuses de Port-Royal honorent sa mémoire.