Figlio di Emanuele Filiberto di Savoia e di Margherita di Valois, nacque a Rivoli il 12 gennaio 1562.
Fu detto Il Grande ed ebbe inoltre i soprannomi di Testa di fuoco e di Il Gobbo. Ebbe i titoli di duca di Savoia, principe del Piemonte e conte d'Aosta dal 1580, marchese di Saluzzo dal 1588, re titolare di Cipro e di Gerusalemme.
Nel 1585 sposò Caterina Michela d'Asburgo figlia di Filippo II re di Spagna e di Elisabetta di Valois.
Nel 1588 occupò militarmente il Marchesato di Saluzzo protetto dalla Francia scatenando una guerra che terminò nel 1601 con il trattato di Lione consentendo a Carlo Emanuele di tenere il Marchesato in cambio di alcuni territori oltre le Alpi.
Fra il 1612 e il 1618 combattè contro Ferdinando Gonzaga per la successione al ducato di Mantova senza ottenere risultati concreti.
Nella successiva guerra per il Monferrato, Carlo Emanuele fu alleato della Spagna fino al 1629 quando con il trattato di Susa tornò ai Francesi che si impegnarono a difendere il suo ducato.
Morì di febbre il 26 luglio 1630 e il ducato passò al figlio Vittorio Amedeo I.