カルロスは後のスペイン王フェリペ2世と最初の妻ポルトガルのマリア・マヌエラの一人息子として生まれた。母は出産後4日で死去し、ハプスブルク家の近親婚により幼い王子は生来病弱であった。

フェリペはイタリア、ドイツ、ネーデルラントの将来の領土を巡る長期旅行のためスペインを離れた。幼いカルロスは叔母たちに預けられ、父子間の感情的距離の始まりとなった。

カール5世の退位によりフェリペ2世がスペイン王となると、カルロスはネーデルラント、イタリアの一部、アメリカ大陸を含む広大なスペイン帝国の後継者となった。この重荷は問題を抱えた王子には重すぎるものとなった。

カルロスは叔父ドン・ファン・デ・アウストリアや甥アレッサンドロ・ファルネーゼと共にアルカラ大学で教育を受けた。家庭教師たちは彼の学習困難と暴力的な気性を報告した。

カルロスはフランス王アンリ2世の娘エリザベート・ド・ヴァロワと婚約していた。しかし政治的理由によりフェリペ2世自身がエリザベートと結婚した。この裏切りと感じた出来事は王子に父への永続的な恨みを抱かせた。

カスティーリャ議会はカルロスを王位継承者およびアストゥリアス公として正式に承認した。この名誉にもかかわらず、彼の精神的適性への懸念はすでに廷臣や外国大使の間で広まっていた。

カルロスは女中を追いかけている最中に階段から落下し、重度の頭部外傷を負った。危険な発熱と腫れが生じ、スペイン最高の医師たちが治療にあたる中、数週間にわたって生命が危ぶまれた。

著名な解剖学者アンドレアス・ヴェサリウスがカルロスの頭蓋骨に穿頭手術を行い圧力を軽減した。最近亡くなった修道士ディエゴの聖遺物も体に置かれた。カルロスは奇跡的に回復したが、多くの人々はこの外傷が精神不安定を悪化させたと考えた。

回復後、カルロスはますます不穏な行動を示すようになった。動物を虐待し、召使いを攻撃し、暴力的な妄想を抱いた。大使たちは彼の残虐性と不安定さを各国の宮廷に警戒とともに報告した。

適性への懸念にもかかわらず、フェリペ2世は統治の準備としてカルロスを国家評議会に参加させた。この試みは惨憺たる結果に終わり、カルロスは統治の適性を示さず、行動は悪化し続けた。

カルロスとスコットランド女王メアリーやオーストリアのアンナとの結婚を手配する試みはいずれも失敗した。彼の不安定さの評判はヨーロッパの宮廷中に広まり、望ましくない縁組相手となっていた。

ネーデルラントで反乱が醸成される中、カルロスはスペイン軍を率いてそこへ行くことに執着するようになった。自分を証明するチャンスと見なしたが、フェリペ2世はそのような責任を彼に委ねることを拒否した。

カルロスはスペインを脱出し、父に対抗するオランダ反乱軍に加わる陰謀を密かに始めた。反乱指導者たちと連絡を取り逃亡計画を立てたが、これはスペイン王位への反逆に等しかった。

カルロスはネーデルラントへの逃亡を手助けするよう叔父ドン・ファン・デ・アウストリアを説得しようとした。ドン・ファンが拒否しこの会話をフェリペ2世に報告すると、国王は息子の逮捕を計画し始めた。

1月18日の夜、フェリペ2世は自ら顧問団を率いて息子を逮捕した。カルロスは窓を釘で打ち付けられ武器を全て取り除かれた居室に監禁された。国王はカルロスが統治に不適格であると発表した。

投獄中、カルロスの精神的・身体的状態は急速に悪化した。ハンガーストライキと暴食を繰り返し、指輪を飲み込み、様々な自傷行為を試みた。

カルロスは6ヶ月の投獄後、1568年7月24日に死去した。公式の死因は自発的絶食と過食により悪化した病気とされたが、フェリペ2世による毒殺の噂は何世紀も続き、劇的な伝説に影響を与えた。

フリードリヒ・シラーの戯曲「ドン・カルロス」は問題を抱えた王子を圧政と戦うロマンチックな英雄に変えた。ジュゼッペ・ヴェルディが後に有名なオペラに翻案し、運命づけられた理想主義の象徴として文化史における地位を確立した。