Han var nevø af Karl 12. af Sverige og af Sveriges regerende dronning Ulrikke Leonore I. Han tilbragte hele sin barndom og ungdom i Sverige, mens de gottorpske dele i hertugdømmerne blev styret af en formynderregering. I 1721 blev de gottorpske dele i hertugdømmet Slesvig igen forenet med de kongelige dele.
Hertug Carl Frederik var svensk tronprætendent efter morbroderen Karl 12.s død i 1718.