Carmela Carvajal fue la menor de cuatro hermanos, sus padres murieron cuando ella tenía solo 10 años, por lo que su crianza fue en la casa de su hermano José Jesús quien estaba casado con Concepción Chacón, hermana de María del Rosario Chacón, madre de Arturo Prat. Así fue como Carmela conoció al que sería su pareja en un futuro.
Durante algunos años, Carmela le envió regalos a Arturo que se conservan en la casa él, la que es actualmente conocida como Museo histórico Hacienda San Agustín de Puñual, y con estos detalles, se forjó una amistad que posteriormente se transformaría en una relación romántica, la cual, según dicen, inició el año 1869. El amor que se tenían, se notaba mucho, pero el héroe nacional se molestaba cuando le hablaban de que tenía una relación con Carmela, más que nada, porque no tenía el dinero necesario como para mantener un matrimonio, por lo mismo y para mejorar su situación, decidió estudiar derecho, mientras era oficial de marina.
En 1873 fue nombrado capitán de corbeta en la Armada de Chile y fue entonces cuando se decidió a pedirle matrimonio a Carvajal. La pareja se casó ese mismo año y una curiosidad es que la edad mínima para casarse en esa época eran 25 años, por lo que Carmela con 21, tuvo que pedir autorización notarial.
Prat es considerado alguien muy avanzado para sus tiempos, trataba a su mujer como su compañera y como una igual, encargándole por ejemplo el presupuesto familiar mientras él mismo se hacía cargo de algunas labores domésticas, algo que era impensado en esos años.
La relación matrimonial de la pareja se caracterizó por las prolongadas ausencias de Arturo Prat a causa de sus labores en la Armada. El 5 de marzo de 1874 nace su primera hija lamentablemente de contextura frágil y enfermiza Arturo, quien estaba constantemente de viajes casi no la pudo ver y no pudo acompañar a su esposa en el dolor cuando la niña muere el 5 de diciembre del mismo año.
El 31 de julio de 1876, tras cinco años de estudios, Prat se tituló de abogado, su mujer trató de convencerlo de dejar la Armada y dedicarse al derecho, pero el respondió diciendo «No poseo ambiciones de lucro, ni los honores ni la gloria me atraen, pues creo que puedo servir a mi patria de algún otro modo».
El 5 de marzo de 1879 comienza la Guerra del Pacífico y Prat fue enviado al norte donde moriría finalmente el 21 de mayo del mismo año durante el Combate Naval de Iquique. Carmela no se enteraría de la muerte de su marido hasta el 24 de mayo por medio de la prensa. El almirante del Huáscar, Miguel Grau, le envió a la joven viuda las pertenencias de Arturo junto con una carta donde expresaba su admiración por el valiente capitán y le ofrecía las condolencias por su pérdida.
Tras la muerte de Arturo Prat, Carmela recibió una pensión vitalicia por parte del estado de $2.400 anuales, mucho más que el sueldo de su difunto marido de $800 anuales, cifra que más tarde aumentaría. Carmela viajó a Curimón para alejarse del dolor por su pérdida, volvió a Valparaíso en 1881 y ese mismo año su casa se incendió, perdiéndolo todo menos las queridas reliquias que Grau le había enviado.
Carmela nunca se volvió a casar y murió en Santiago el 16 de agosto de 1931 provocando un hondo pesar en el país debido a su valentía como esposa del héroe de Iquique.