Сын герцога Максимилиана Иосифа и Людовики Баварской, брат императрицы Сисси. Стал наследным герцогом в 1860 году, после морганатического брака его старшего брата.
В 1865 он женился на своей кузине Софии, принцессе Саксонской (1845—1867), дочери короля Иоганна I. От неё имел одну дочь:
Был офицером Баварской армии, участвовал в сражениях Австро-Прусской (1866) и Франко-Прусской (1870) войн.
Учился в Мюнхенском университете, где изучал философию, право, экономику и медицину. Среди его учителей были физик Филипп Жолли и химик Юстус Либих. В 1872 году он получил от университета звание почетного доктора медицины. Затем Карл Теодор продолжил свое образование, изучая офтальмологию в Вене и Цюрихе. Опечаленный смертью своей жены и войнами, он, к неудовольствию своей семьи, покинул армию и стал доктором, а через некоторое время и успешным окулистом.
В 1874 он вступил во второй брак с Марией Жозефой, инфантой Португальской (1857—1943), дочерью свергнутого короля Мигеля. Дети:
В 1877 году он начал врачебную практику. В 1880 открыл глазную клинику в своем дворце, а в 1895 — в Мюнхене. Его жена часто помогала ему в качестве ассистентки.
Карл Теодор умер 30 ноября 1909 года в Кройте, Бавария.