Был вторым браком женат на своей родственнице, боярской дочери Анне Фёдоровне Бантыш (?—1667).
После смерти отца, убитого турками, бежал в Польшу, где служил в войсках королей Владислава и Казимира; позже перешёл на службу в Валахию, затем в Молдавию.
В 1672 спас гарем султана Магомета IV, которым чуть не завладели поляки после Хотинской битвы. За это после низложения Думитрашку Кантакузино (25 июня 1685 года) К. Ф. Кантемир был назначен правителем Молдавии. Тогда ему было около 73 лет. Ходили слухи, что он был из татарского рода. Кантемир ввёл несколько новых налогов, пытался бороться с воровством и бандитизмом, установил связи с Габсбургами.
Во время нашествий Яна Собеского в 1685 и 1686 Кантемир отказался примкнуть к нему открыто, но тайно помогал ему, когда Собеский вынужден был отступить после Боянской битвы.
Константин был неграмотным. В 1691 году, в результате интриг, он приказал казнить Мирона Костина, которого подозревал в желании захватить власть. Кантемир имел редкое для молдавских правителей счастье умереть на престоле, после 8-летнего управления.