N. em Lisboa a 28 de Setembro de 1863, sendo baptizado ria igreja de S. Domingos em 19 de Outubro do mesmo ano. É filho primogénito de el-rei D. Luís I e da rainha senhora D. Maria Pia de Sabóia; neto paterno de D. Fernando de Saxe­Coburgo-Gotha e da rainha D. Maria II; neto materno do rei de Itália Vítor Manuel. 0 seu nome completo é: Carlos Fernando Luís Maria Vítor Miguel Rafael Gabriel Gonzaga Xavier Francisco de Assis José Simão de Bragança Sabóia Bourbon Saxe-Coburgo-Gotha. 

Sendo ainda príncipe herdeiro casou em Lisboa, a 22 de Maio de 1886, com a princesa senhora D. Maria Amélia Luísa Helena de Orléans, filha de Luís Filipe Alberto, conde de Paris, e neta de Luís Filipe, rei de França. Antes do casamento empreendeu uma viagem pelas principais cidades da Europa, acompanhado pelo eminente homem de ciência António Augusto de Aguiar, seu preceptor. Por motivo das últimas viagens de el-rei D. Luís I ao estrangeiro, ficou regente do reino várias vezes, sendo as suas proclamações datadas de 27 de Julho de 1882, 2 de Agosto de 1886 e 30 de Julho de 1888. Por morte do mesmo monarca subiu ao trono em 19 de Outubro de 1889, sendo aclamado, com todo o cerimonial do estilo, a 28 de Dezembro do referido ano. Do seu consórcio existem dois filhos: S. A. Real o príncipe D. Luís Filipe e S. A. Sereníssima o infante D. Manuel. Pouco depois de el-rei senhor D. Carlos haver subido ao trono, produziram-se graves acontecimentos, determinados pelo ultimato apresentado ao governo português, em 11 de Janeiro de 1890, pelo gabinete de Londres acerca de limites territoriais em Africa. A enorme agitação que se deu em todo o país e que produziu a revolta militar do Porto, em 31 de Janeiro de 1891, perturbou tristemente os princípios deste reinado. 

Em 11 de Janeiro de 1891 instituiu S. M. el-rei senhor D. Carlos a medalha de Serviços no Ultramar; em 9 de Junho de 1892 a de Socorros a Náufragos; em 31 de Janeiro de 1893 a da Cruz; Vermelha; e em 23 de Novembro de 1895 a da Rainha D. Amélia, para expedições militares. Em 4 de Junho de 1896 instituiu a ordem do Mérito Agrícola e Industrial, destinada a galardoar os serviços prestados à agricultura ou à indústria nacional. Por alvará de 13 de Agosto de 1894 reformou a ordem militar de S. Bento de Avis. Estas instituições de prémios e recompensas revelam um notável espírito de justiça da parte de S. M. El-Rei. 

As vitórias na campanha de África, contra o Gungunhana e namarrais, são dos factos que até agora mais ilustram o actual reinado. As celebrações dos centenários do Infante D. Henrique, no Porto, e da Índia, em Lisboa, também se podem indicar entre os seus faustos. Igualmente, as visitas dos soberanos estrangeiros, depois da aliança inglesa, e o tratado de arbitragem com Inglaterra. Assinalam ainda os quinze anos decorridos a grande crise económica de 1898, um certo desenvolvimento das colónias, a ligação das ilhas dos Açores ao continente pelo cabo submarino; etc. 

Os resultados dessas investigações receberam rasgados elogios de alguns sábios estrangeiros e constam dos quatro seguintes livros publicados: Yacht «Amelia» – Campanha oceanographica de 1896, Lisboa, 1897. Resultados das investigações scientificas feitas a bordo do yacht «Amelia» e sob a direcção de D. Carlos de Bragança ­Pescas maritimas – I – A pesca do atum no Algarve em 1898 (avec un resumé en français) – Lisboa 1899. Buletin des Campagnes Scientifiques accomplies sur le yacht «Amelia» par D. Carlos de Bragança ‑Vol. I – Rapport préliminaire sur les Campagnes de 1896 à 1900 – Fascicule I – Introduction – Campagne de 1896 – Lisbonne, 1902. Resultado das investigações scientificas feitas a bordo do yacht «Amelia» e sob a direcção de D. Carlos de Bragança – Ichthyologia – II – ­Esqualos obtidos nas costas de Portugal durante as campanhas de 1896 a 1903 (Texto em portuguez e francez) Lisboa 1904.