Siendo niño, se sabía que gozaba con asar liebres vivas y una vez, en una orgía de crueldad, cegó caballos en el establo real. A los once años hizo azotar a una muchacha para su sádica diversión: fue un exceso por el que hubo que pagar compensaciones al padre de la niña.
En 1560 fue reconocido como heredero al trono por las Cortes de Castilla. Fue educado en la Universidad de Alcalá de Henares junto al hermanastro del rey don Juan de Austria y Alejandro Farnese.
Su delicado estado de salud, con fiebres persistentes, motivó que en 1561 los médicos de la corte recomendaran fijar su residencia en Alcalá de Henares, alejándose de los aires insalubres de Madrid. En 1562 se cayó por las escaleras golpeándose en la cabeza; tras probar muchos tratamientos diferentes, incluyendo el acudir al curandero Pinterete y a poner en su cama la momia de fray Diego de Alcalá, finalmente Vesalio le realizó una trepanación, operación muy arriesgada que le traería secuelas, pues se acrecentó su crueldad y sus excentricidades. Su desarrollo físico también era deficiente, pues tenía un hombro más alto que el otro, la pierna izquierda más larga que la derecha, el pecho hundido y una pequeña joroba.
Tras su recuperación, Felipe II le nombró miembro del Consejo de Estado en 1564, un intento infructuoso por parte de su padre para que tomara contacto con el gobierno de la nación, ya que sus problemas mentales se agravaban.
Felipe II pensó en casarlo con María Estuardo, un matrimonio arriesgado, pues suscitaría la enemistad de Francia, Inglaterra y posiblemente del Imperio. Estas razones, unidas a los problemas del príncipe, en quien era difícil confiar, hicieron que Felipe II fuera enfriando las negociaciones. Por otro lado, Don Carlos quería gobernar los Países Bajos como su padre le prometió en 1559, pero debido a su incapacidad para gobernar y la inestabilidad en los Países Bajos su padre incumplió dicha promesa, y de hecho ni siquiera le convocó para tratar la cuestión.
Viendo la poca credibilidad que le merecía a su padre, don Carlos se desesperaba, sentimiento que se acrecentaba porque a su padre, que le había engendrado tan joven, todavía le quedaba mucho tiempo de reinado. El príncipe se burlaba del Rey, al que comparaba en sus titubeos con la figura de su abuelo el Emperador Carlos I. El príncipe llegó a aproximarse a la puerta de la cámara donde se estaba discutiendo la situación de los Países Bajos para espiar lo que allí se decía.
Uno de los líderes rebeldes en los Países Bajos, el conde de Egmont, tuvo contacto en Madrid con el príncipe Carlos en 1565, el cual estaba pensando en escaparse a dicho lugar del imperio. El príncipe le confió su plan al príncipe de Éboli, quien informó inmediatamente al rey. En 1566 el Barón de Montigny, que llegó a Madrid representando a los rebeldes Egmont y Hornes, también tuvo contacto con el príncipe. Durante 1567 el príncipe cometió nuevos excesos, como mandar incendiar una casa desde la que se lanzaron unas aguas sucias que le mancharon, o amenazar de muerte al duque de Alba, que había de partir hacia Flandes en su lugar.
El duque de Alba puso en prisión más tarde a Hornes, y Montigny fue ejecutado tres años después. Don Carlos intentó otro plan para ir a los Países Bajos, pidió a su tío don Juan de Austria que le llevara a Italia, el cual también informó al rey. Además le habló al prior del convento de Atocha de su deseo de matar al Rey. Finalmente, Felipe II mandó el 18 de enero de 1568 encerrar a su hijo en sus aposentos sin recibir correspondencia y con limitada comunicación con el mundo exterior. Como el príncipe amenazó con quitarse la vida, Felipe II ordenó que no pudiese tener cuchillos ni tenedores. Al informar a la opinión pública, así como a los gobernantes de Europa, el Rey fue ambiguo, pues por un lado debe justificarse y por otro trata de no revelar las faltas de don Carlos. Esta falta de transparencia alimentaría los rumores y la propaganda negativa de sus enemigos, especialmente de Guillermo de Orange.
Cautivo, el príncipe trató de emprender una huelga de hambre, en la que fracasó. Tras ello, se dio al otro extremo, comiendo sin medida. Esto, junto a su debilidad física, es la causa probable de su muerte, que acaeció el 28 de julio de 1568. Muchas han sido las conjeturas sobre si Felipe II asesinó a su hijo mientras estaba detenido (envenenado, estrangulado o decapitado), pero todo intento por demostrarlo ha quedado en meras especulaciones, con lo cual este hecho parece poco probable.
