Carl Lorenz pratique d'abord le cycle-ball avant de passer à la piste en 1934. Aux championnats du monde de 1934, il rencontre Arie van Vliet en quart de finale de la vitesse amateur et est éliminé après être sorti de la piste. Il forme cette année-là un tandem avec Ernst Ihbe. Aux championnats de Grande-Bretagne open de 1934, lors du premier tour, Lorenz occupe la place à l'avant du tandem. Ils s'inclinent. Dans le tour de repêchage Ihbe passe à l'avant. La paire gagne ce repêchage, et remporte le championnat britannique. Ihbe court jusqu'à la fin de la carrière à l'avant du tandem. Ihbe et Lorenz remportent ensemble deux championnats d'Allemagne. Aux Jeux olympiques de Berlin en 1936, Lorenz et Ihbe remportent la médaille d'or. À partir de 1937, Carl Lorenz est professionnel, sans grand succès.
En 1955, Lorenz devient entraîneur au SC Dynamo Berlin. Aux Jeux olympiques de 1960, les cyclistes qu'il entraîne sont médaillés d'argent en tandem et en poursuite.
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