Figlio di Filippo V di Spagna e di Elisabetta Farnese, Carlo Sebastiano di Borbone nacque a Madrid il 20 gennaio 1716.
Poichè Filippo V aveva avuto altri due figli dalla prima moglie Maria Luisa di Savoia (Luigi e Ferdinando), Carlo era il terzo nella successione al trono di Spagna ma gli provenivano dalla madre diritti sul Ducato di Parma e Piacenza e sul Granducato di Toscana.
Fra il 1717 e il 1719 fu combattuta la Guerra della Quadruplice Alleanza (Inghilterra, Francia, Province Unite, Sacro Romano Impero) contro la Spagna, guerra che si concluse con la pace dell'Aia che obbligava Filippo V a rinunciare ad ogni pretesa sugli stati italiani che erano stati tolti alla corona spagnola dopo la guerra di successione.
Si stabiliva inoltre che Carlo sarebbe entrato in possesso dei ducati solo in caso di estinzione delle linee maschili dei Medici e dei Farnese.
Carlo fu fidanzato con Filippa Elisabetta, figlia del reggente di Francia Filippo II d'Orleans ma il fidanzamento fu annullato nel 1725.
Il 30 aprile 1725 venne firmato il trattato di Vienna fra Filippo V e l'imperatore Carlo VI: Maria Teresa d'Austria veniva ammessa ad ereditare il trono e l'Austria rinunciava ad ogni pretesa sulla corona spagnola.
Il trattato fu rotto nel 1727 e nel 1729, al termine della guerra anglo-spagnola, fu stipulato il trattato di Siviglia le cui condizioni prevedevano fra l'altro il diritto di Carlo di occupare il ducato dei Farnese.
Il 20 gennaio 1731 morì il duca Antonio Farnese ed il ducato fu occupato in nome di Carlo dagli Austriaci. Anche il papa Clemente XII tentò di prendere possesso di Parma ma fu preceduto dalle truppe austriache.
Don Carlo arrivò in Italia il 27 dicembre 1731 e il 29 dicembre la nonna materna Dorotea Sofia di Neuburg assunse la reggenza in nome dell'infante. Il 9 marzo 1732 entrò in Firenze dove sarebbe stato nominato gran principe ereditario di Toscana, nell'ottobre dello stesso anno prese possesso del ducato di Parma.
Nel luglio 1735, al termine della guerra che aveva visto Spagna e Francia opporsi all'Austria, Carlo fu incoronato re di Sicilia nella Cattedrale di Palermo.
Con un nuovo trattato concluso a Vienna nel novembre 1738 Carlo fu ufficialmente riconosciuto re delle Due Sicilie, ma dovette rinunciare al ducato di Parma e Piacenza e al granducato di Toscana, conservando il diritto di trasferire a Napoli la collezione Farnese, raccolta di opere d'arte ereditata dalla famiglia materna oggi custodita al Museo di Capodimonte.
Il 9 maggio 1738 Carlo sposò per procura a Dresda Maria Amalia di Sassonia, figlia del re di Polonia Augusto III e nipote di Carlo VI, che lo raggiunse il 19 giugno nei pressi di Fondi, poco dopo fu firmata la bolla pontificia che confermava l'incoronazione.
Per i primi quattro anni Carlo regnò sotto la tutela di due ministri spagnoli inviati dalla madre: il conte di Santesteban e il marchese di Montealegre.
Nel 1740, alla morte di Carlo VI d'Asburgo, scoppiò la guerra per la successione al trono austriaco che vide Spagna Francia e Prussia opporsi a Maria Teresa che era sostenuta da Gran Bretagna e Regno di Sardegna.
Carlo si dichiarò neutrale ma inviò truppe napoletane in rinforzo a quelle spagnole del padre. Nel 1742 una spedizione navale britannica entrò nel porto di Napoli costringendo Carlo a ritirare le sue forze.
Il trattato di Worms del 1743 decretò che Napoli sarebbe tornata all'Austria ed assegnò la Sicilia ai Svoia. Nel 1744 Carlo si armò e si mise al comando del proprio esercito per fronteggiare le truppe austriache del principe Lobkowitz che sconfisse duramente nella battaglia di Velletri dell'11 agosto 1744.
Negli anni successivi Carlo rese il suo regno indipendente dalla Spagna, operazione facilitata dalla morte di Filippo V e dall'ascesa al trono di Ferdinando VI, fratellastro di Carlo, che privò Elisabetta Farnese della sua autorità.
Intanto Carlo aveva già abolito nel regno gli organi vicereali spagnoli ed aveva accentrato il potere emanando riforme politiche, giuridiche e fiscali.
Nel 1741 Carlo stipulò con il nuovo papa Benedetto XIV un concordato che limitava l'influenza clericale del regno e nel 1746 impedì l'istituzione del tribunale dell'Inquisizione a Napoli.
Nel 1738 fu sventato il tentativo dei pirati barbareschi di rapire il re . Negli anni seguenti Carlo si occupò del problema della pirateria nel Mediterraneo stipulando accordi con il Marocco e con l'Impero Ottomano ma anche con azioni militari e con l'istituzione di una flotta da guerra.
Nel 1740 chiamò gli Ebrei a stabilirsi nel Napoletano per stimolare il commercio ma la reazione del clero che sobillò l'antisemitismo lo scostrinse ad espellerli di nuovo nel 1747.
Sul piano della politica estera Carlo si mantenne neutrale nella Guerra dei Sette Anni e rifiutò di aderire ad una nuova coalizione contro Maria Teresa d'Austria.
Nel dicembre 1758 Ferdinando VI di Spagna nominò Carlo suo erede universale prima di ritirarsi a causa di un'infermità mentale. Morì il 10 agosto 1759 e Carlo fu proclamato re di Spagna come Carlo III.
Filippo di Borbone primogenito di Carlo era a sua volta affetto da infermità mentale, il fratello minore Carlo Antonio fu quindi nominato principe delle Aturie mentre il diritto ereditario sulle Due Sicilie passò al terzo fratello Ferdinando che successe al padre il 3 ottobre 1759 con il nome di Ferdinando IV di Napoli e Ferdinando III di Sicilia mentre Carlo abdicava in suo favore.
Carlo giunse a Barcellona il 17 ottobre 1759 accompagnato dai figli (tranne Filippo e Ferdinando) e dal suo consigliere Leopoldo de Gregorio marchese di Squillace che venne nominato ministro delle finanze.
Il nuovo re ed il suo ministro operarono molte riforme, potenziarono la marina e l'esercito, incentivarono le produzioni manufatturiera e agricola ma per farlo aggravarono la pressione fiscale e ciò provocò una rivolta nel 1766 che, iniziata a Madrid, dilagò rapidamente nel regno.
Per risovlere la situazione Carlo accolse le richieste dei rivoltosi fra cui la sostituzione del marchese di Squillace.
Nel 1767 furono espulsi dalla Spagna i Gesuiti ritenuti colpevoli di aver fomentato la rivolta.
Come re di Spagna Carlo condusse una salutare politica interna di riforme mentre in politica estera incassò alcuni insuccessi lasciandosi coinvolgere nell'ultima fase della guerra dei Sette Anni.
Morì a Madrid il 14 dicembre 1788, gli successe il figlio Carlo IV.