Dal padre ha preso la passione per il motorsport, ma a stradine e sterrati ha preferito la pista, fin dai tempi del kart, dove debutta all’età di undici anni. L’esordio in monoposto è datato 2010, quando è impegnato in Formula BMW e conquista la sua prima vittoria a Silverstone con il team EuroInternational. L’anno seguente è in Formula Renault e con dieci affermazioni si porta a casa il titolo nella Northern European Cup insieme al team Korainen Motorsport. Nel 2012 passa alla Formula 3 europea con il team Carlin, con il quale conquista una gara a Spa-Francorchamps ed è quinto in campionato. L’anno seguente è in Formula Renault 3.5 dove vince il titolo 2014 sotto le insegne del team DAMS con sette vittorie e altrettante pole position precedendo il francese Pierre Gasly.
Questo successo gli spalanca le porte della Formula 1 nella quale esordisce nel Gran Premio d’Australia 2015 centrando subito i primi punti iridati della carriera al volante della Scuderia Toro Rosso, nella quale si ritrova compagno di squadra Max Verstappen. Conquisterà altri 16 punti in quella stagione per piazzarsi al 15° posto nella classifica finale. L’anno seguente fa il suo primo incontro con la Ferrari, dal momento che la sua Toro Rosso è spinta dalle power unit di Maranello. Carlos è 12° nel Mondiale con 46 punti, mentre nel 2017 entra nei primi dieci terminando al nono posto al termine di un campionato in continua crescita che per le ultime quattro gare lo vede passare dalla Toro Rosso alla Renault, squadra nella quale Carlos trascorre la stagione 2018. Con il team francese lo spagnolo è decimo in campionato e il risultato di maggior prestigio che ottiene è un quinto posto in Azerbaigian.
Nel 2019 si lega alla McLaren con la quale è autore di un’annata solida che lo vede concludere al sesto posto e conquistare il suo primo podio nel rocambolesco Gran Premio del Brasile. Prosegue anche nel 2020 con la squadra britannica confermandosi in sesta posizione nella classifica assoluta e sfiorando la sua prima vittoria nel Gran premio d’Italia, quando ha concluso secondo nella scia del vincitore Gasly. Nel 2021 è diventato il terzo pilota spagnolo a guidare una Ferrari di Formula 1 dopo Alfonso de Portago e Fernando Alonso e con la SF21 è stato protagonista di un’ottima stagione che lo ha visto concludere al quinto posto della classifica piloti con 164,5 punti, contribuendo in maniera fondamentale alla conquista del terzo posto tra i Costruttori per Ferrari. Carlos è salito per quattro volte sul podio: è stato infatti secondo nel GP di Monaco e terzo in Ungheria, Russia e Abu Dhabi. Inoltre è riuscito ad arrivare in zona punti in 20 gare su 22, con un filotto di 15 consecutive, più di tutti.
Nel 2022 con la Scuderia Ferrari ha conquistato due giri veloci, tre pole position, 13 podi e la sua prima vittoria. Il successo è arrivato nel weekend del suo 150° Gran Premio di Formula 1 sulla pista di Silverstone.
Nella scorsa stagione ha bissato la vittoria, a Singapore, riuscendo a interrompere quello che altrimenti sarebbe stato un filotto di vittorie del team vincitore del campionato. Oltre al primo posto di Singapore, Carlos ha ottenuto due pole position, tra cui quella indimenticabile di Monza tra l’entusiasmo dei Tifosi, ed è salito sul podio in due occasioni: nella stessa Monza e ad Austin (in seguito alla squalifica di Lewis Hamilton).
Pilota straordinariamente concreto, Carlos sa estrarre sempre il massimo dalla vettura ed è noto nell’ambiente per la sua capacità di aiutare i tecnici nello sviluppo della monoposto.