Po smrti svého otce 25. června 1864 byl Karel 12. července intronizován. Byl liberálnější než svůj otec, a proto k 24. prosinci 1864 obnovil svobodu tisku a sdružování a k 26. březnu 1868 zavedl všeobecné, rovné, bezprostřední a tajné volební právo lidových poslanců do druhé komory parlamentu. Vnitropoliticky nabral takový liberální kurz, že odvolal vedoucí ministry Josepha von Linden a Karla von Varnbüler. V zahraniční politice v úvodních letech svého vládnutí dovedl Württemberg od spojenectví s Rakouským císařstvím ke spolku s Pruskem. Tak Württemberg uznal v roce 1866 rozpuštění Německého spolku a uzavření tajného obranného i útočného svazku s Pruskem, v souladu s ostatními jihoněmeckými státy. Přesto oficiálně dvůr, vláda i lid zastával protipruské postoje.
V říjnu 1870 odjel na soukromý pobyt do svého sídla ve Friedrichshafenu. V listopadu téhož roku přistoupilo Württembersko jako poslední země k Severoněmeckému spolku a zúčastnil se po boku Pruska prusko-francouzské války. Skutečnost, že král v politicky kritických chvílích trávil svůj čas v soukromí, i mimo zemi, a zároveň opomíjel svoje panovnické závazky, byla pro správu země na obtíž, avšak z druhé strany to bylo pro württemberskou vládu velmi výhodné, neboť mohla vládnout bez omezujících zásahů krále.[3]
V roce 1871 se Württembersko stalo jedním ze spolkových států Německého císařství, což mělo za následek významné omezení württemberské suverenity. Království ztratilo své dosavadní mezinárodní postavení, ale na oplátku získalo větší bezpečnost z vnějšku i zevnitř. Poštovní a telegrafní služby, finanční svrchovanost, starost o kulturu, stejně jako správa železniční dopravy zůstala v jeho rukou, stejně jako vlastní vojenská správa.
Dne 3. října 1891 se Karel vrátil ze svého obvyklého letního pobytu v Friedrichshafenu a Bebenhausenu smrtelně nemocen a o tři dny později, 6. října 1891, zemřel. Pohřben byl v hrobce zámeckého kostela ve Starém zámku (Altes Schloss) ve Stuttgartu.
↑Heinz Häfner: Ein König wird beseitigt. Ludwig II. von Bayern. C. H. Beck, München 2008. ISBN978-3-406-56888-6. S. 68ff (Die Akzeptanz eines homosexuellen Königs (Karl von Württemberg) zu Lebzeiten Ludwigs II.)
Jürgen Honeck: Drei württembergische Könige. Ihre Persönlichkeit im Spiegel von Politik, Macht und Liebe, Stieglitz, Mühlacker und Irdning/Steiermark 2008, ISBN978-3-7987-0393-3.
Hubert Krins: Könige und Königinnen von Württemberg. Lindenberg 2007 (3. Auflage). ISBN978-3-89870-024-5
Ulrike Landfester, Friderike Loos (Hrsg.): Lieber Kronprinz! Liebe Freundin!: Briefwechsel zwischen Bettine von Arnim und Karl von Württemberg. Mit einem Anhang: Briefwechsel zwischen Bettine von Arnim und Julius von Hardegg. Manutius, Heidelberg 1998, ISBN3-925678-82-4.
Sophie Dorothee Podewils (Hrsg.): Traum der Jugend goldner Stern. Aus den Aufzeichnungen der Königin Olga von Württemberg [Aus dem französischen Manuskript übersetzt von Sophie Dorothee Gräfin Podewils]. Neske, Pfullingen 1955.
Paul Sauer: Regent mit mildem Zepter. König Karl von Württemberg. DVA, Stuttgart 1999. ISBN3-421-05181-X.