Nasceu 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 do 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. O 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 do 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 do 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. o 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. o 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.

O rei senhor D. Carlos é justamente considerado uma individualidade artística, homem de ciência e habilíssimo em todos os exercícios físicos, tais como a caça, a pesca, equitação, etc. Espírito desde cedo muito culto, tem pelas belas artes a paixão dum verdadeiro artista, distinguindo-se especialmente na aguarela e no desenho a pastel. Em quase todas as exposições nacionais tem apresentado os seus apreciados quadros, alcançando as mais altas distinções. Ainda ultimamente, em 24 de janeiro de 1905, se dignou sua majestade aceitar o diploma de académico de mérito que lhe conferiu a Academia Portuense de Belas Artes. Seria difícil dar uma lista completa das medalhas e diplomas de honra que o Rei senhor D. Carlos tem recebido pelos seus trabalhos artísticos e científicos. Aos estudos oceanográficos tem sua majestade dedicado a mais particular atenção.

Os resultados dessas investigações receberam rasgados elogios de alguns sábios estrangeiros e constam dos quatro seguintes livros publicados: Iate "Amélia" – Campanha de 1896, Lisboa, 1897. Resultados das investigações cientificas feitas a bordo do iate "Amélia" e sob a direcção de D. Carlos de Bragança ­ Pescas marítimas – 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 cientificas feitas a bordo do iate "Amélia" e sob a direcção de D. Carlos de Bragança – Ictiologia – II – Esqualos obtidos nas costas de Portugal durante as campanhas de 1896 a 1903, (Texto em português e francês) Lisboa 1904.