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 г. 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 г. Когда Карлу минуло 18 лет, мать передала ему правление, после чего он женился на Луизе Гессен-Дармштадтской († 1830). В 1785 г. Карл-Август примкнул к «союзу князей» (F?rstenbund), в образовании которого он принимал деятельное участие.
В 1787 г. вступил в прусскую военную службу и в 1792 и 1793 гг. принимал участие в походах против Франции. В русскую службу принят 6 августа 1803 генерал-лейтенантом с назначением шефом Киевского гренадерского полка и зачислением в Свиту Императора Александра I.
Участвовал в Австрийском походе 1805 г. и в сражении при Аустерлице. В 1806 г. был приглашен прусским королем Фридрихом Вильгельмом III на службу в прусскую армию. В битве при Иене был ранен и взят французами в плен. В 1807 г. был отпущен в свое герцогство, включенное в состав Рейнского союза под эгидой Франции. В 1808 г. его посетили в Веймаре Наполеон I и император Александр I. В 1809 г. тайно прибыл в Австрию и участвовал в боевых действиях под Асперном и Ваграмом, после чего вернулся в Саксен-Веймар.
В марте 1813 г. 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 декабря 1813.
В 1814 г. сражался с французами под Бриенном, Лаоном и Фер-Шампенуазом, участвовал во взятии Парижа и получил в награду орден Св. Владимира 1-й ст.
Венский конгресс увеличил его государство и возвел в великогерцогское достоинство, однако Карл продолжал числиться на русской службе до своей кончины. Он принимал участие и в походе 1815 г. Полученную после мира контрибуцию, около 800 тыс. 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 ее 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 рассадником свою столицу Веймар; был хранителем и ревностным защитником Йенского университета. Погребен рядом с Шиллером и Гете. 3 сентября 1875 г. открыт в Веймаре памятник Карлу-Августу (конная статуя).
В 1775 года женился на Луизе Гессен-Дармштадской (1757—1830), дочери ландграфа Людвига IX. В браке родились: