Когда ему был один год от роду, он потерял отца. До совершеннолетия Карла правительницей государства была мать Анна-Амалия — двоюродная сестра Ивана VI. Она выбрала сыну наилучших воспитателей.
В 1774 году Карл-Август и его брат Константин посетили Париж и Швейцарию. Дорогою принцы познакомились с Гёте. Семнадцатилетний принц и двадцатипятилетний писатель заключили дружеский союз, пятидесятилетие которого было отпраздновано в 1825 году. Когда Карлу минуло 18 лет, мать передала ему правление, после чего он женился на Луизе Гессен-Дармштадтской (ум. 1830). В 1785 году Карл-Август примкнул к Княжескому союзу, в образовании которого он принимал деятельное участие.
В 1787 году вступил в прусскую военную службу и в 1792 и 1793 годах принимал участие в походах против Франции.
В 1806 году был приглашён прусским королём Фридрихом Вильгельмом III на службу в прусскую армию. В битве при Йене был ранен и взят французами в плен. В 1807 году был отпущен в своё герцогство, включённое в состав Рейнского союза под эгидой Франции. В 1808 году его посетили в Веймаре Наполеон I и император Александр I. В 1809 году тайно прибыл в Австрию и участвовал в боевых действиях под Асперном и Ваграмом, после чего вернулся в Саксен-Веймар.
В марте 1813 года присоединился к русско-прусскому союзу, находился при русской армии без зачисления на службу и участвовал в сражениях под Лютценом, Баутценом и Рейхенбахом. После Плесвицкого перемирия участвовал в сражениях у Дрездена, Пирны и Кульма, за отличие в последнем награждён золотой шпагой с алмазами. За участие в сражении под Лейпцигом вновь принят в русскую службу с производством в генералы от кавалерии 16 декабря1813 года.
Венский конгресс увеличил его государство за счёт Саксонии и великого герцогства Франкфурт (округа Гайза и Дермбах), а также присвоил ему наследственный титул великого герцога, однако Карл продолжал числиться на русской службе до своей кончины. Он принимал участие и в походе 1815 года. Полученную после мира контрибуцию, около 800 тысяч талеров, он употребил на нужды своего государства. Карл-Август первый из германских государей ввел в своей стране обещанную конституцию. Он защищал свободу печати, пока после вартбургского празднества другие государи не вынудили его её ограничить. Пятидесятилетний юбилей его правления был всенародным празднеством. Во время его царствования были улучшены все отрасли управления и искоренено много злоупотреблений. Знаток и любитель наук и искусств, Карл-Август сделал их центром свою столицу Веймар; был хранителем и ревностным защитником Йенского университета. Погребен рядом с Шиллером и Гёте. 3 сентября 1875 года в Веймаре Карлу-Августу открыт памятник (конная статуя).