Карл Фёдорович Модерах родился 27 сентября 1747 года в Санкт-Петербурге, в дворянской семье немецкого происхождения. В 1764 году он окончил инженерный корпус и поступил на службу. К 1789 году, когда ему было присвоено звание инженер-полковника, он имел репутацию одного из лучших инженеров в России. В Петербурге он руководил строительством различных каналов и дорог, гранитной набережной Фонтанки, Большого каменного театра (сейчас на его фундаменте стоит здание консерватории).
В 1789 году Модерах оставил военную службу и перешёл на государственную, причём 26 ноября того же года был награждён орденом св. Георгия 4-й степени (№ 685 по кавалерскому списку Григоровича—Степанова). 29 апреля 1796 года он получил назначение в Пермь на смену умершему И. В. Колтовскому.
После смерти наместника А. А. Волкова в 1781 году, в связи с губернской реформой Екатерины II, Пермское и Тобольское наместничество было упразднено и разделено на губернии. 2 марта 1797 года Карл Фёдорович Модерах стал главой Пермской губернии.
На посту губернатора Модерах приложил усилия к строительству и благоустройству дорог, сооружению казённых и общественных зданий. В 1804 году было учреждено Пермское и Вятское генерал-губернаторство, которое и возглавил Модерах. С 1804 года он руководил строительством Северо-Екатерининского канала, соединившего бассейны рек Камы и Вычегды. В 1811 году вышел в отставку по состоянию здоровья и был произведён в сенаторы. Пермское и Вятское генерал-губернаторство было упразднено.
После Отечественной войны 1812 года Модерах руководил восстановлением Москвы и Московской губернии. Благодарные москвичи посвятили ему стихи:
Дочь Модераха, Софья Карловна Певцова, в 1826—1852 гг возглавляла Московское училище Ордена Святой Екатерины.