A Bíblia não diz o nome da esposa de Caim nem informa quem eram os pais dela. Por isso, não dá pra afirmar que ela era irmã dele. O que podemos dizer é que, seguindo o relato de Gênesis, ela era uma descendente de Adão e Eva — talvez uma irmã de Caim, talvez uma sobrinha ou uma parente de outra geração.
Gênesis conta que Adão e Eva tiveram outros filhos e filhas além dos que aparecem pelo nome na história (Gênesis 5:4). Também não diz quantos anos Caim tinha quando matou Abel, nem quanto tempo havia passado desde o nascimento dos dois. É possível, portanto, que já houvesse outros membros da família quando Caim se casou.
A dúvida costuma surgir porque Gênesis 4:17 menciona a esposa de Caim sem antes apresentá-la. Mas o texto não está tentando listar todos os filhos de Adão e Eva. Ele acompanha algumas pessoas e acontecimentos específicos. Deixar de mencionar essa mulher antes não significa que ela tenha vindo de algum lugar fora da família descrita em Gênesis.
Mas, se ela era uma parente próxima, isso não seria proibido? A proibição explícita de relações entre parentes próximos aparece bem mais tarde, na lei dada a Israel (Levítico 18:6-18). O relato de Caim se passa no começo da história humana, antes dessa lei. Isso ajuda a entender como, segundo Gênesis, os primeiros descendentes de Adão e Eva formaram famílias. Não significa que a Bíblia aprove esse tipo de relação hoje.
Às vezes se tenta resolver a questão dizendo que os primeiros seres humanos não tinham problemas genéticos e que, por isso, casamentos entre irmãos eram seguros. A Bíblia, porém, não dá essas informações sobre os genes deles. Não precisamos dessa suposição pra responder à pergunta.
Então a resposta mais honesta é simples: não sabemos exatamente quem foi a esposa de Caim. Ela pode ter sido sua irmã, mas a Bíblia não permite afirmar isso com certeza.