Карл-Фридрих-Отто Вестфаль родился в Берлине. Он был сыном врача Отто-Карла-Фридриха Вестфаля (1800—1879) и Каролины Фредерики Гейне. Его дядя был известным медицинским директором больницы Шарите.
Он был женат на Кларе, дочери банкира Александра Мендельсона. Сын Александр-Карл-Отто Вестфаль стал медиком, второй сын Эрнст (1871—1949) — юристом, дочь Анна (1864—1943) вышла замуж за медика Эдуарда Сонненбурга, а Мария (1867—1957) — за банкира Франца фон Мендельсона-младшего.
Уже в своем родном городе он получил блестящее образование.
C осени 1851 Карл-Фридрих-Отто Вестфаль учился в университете Берлине, на следующий семестр — в Гейдельберге, зимой 1852 поменяв его на Цюрих. Здесь он стал любимым учеником физиолога Карла Людвига, работал в лаборатории написал диссертацию «Выделение воды почками» лат. "«De aquae secretione per renes»" на экспериментальной основе. Среди его друзей в Цюрихе были А. Э. Фик, П. Дюбуа-Реймон, братья Л. Мейер и Оскар Мейер. Докторскую степень он получил после учебной поездки в Париж и Вену. Можно только попробовать представить себе образованность этого молодого человека! Не удивительно, сколь огромен спектр его интересов, и, соответственно, вклад в науку. Однако, несмотря на это и богатых и влиятельных родственников, его становление в науке было неожиданно сложным.
После получения докторской степени, с 1857 он работал ассистентом в оспенном отделении в берлинском Шарите.
С 1858 из-за внешних обстоятельств, ухода ассистента Людвига Мейера, друзья уговорили его стать ассистентом на кафедре для душевнобольных при К. В. Иделере, а также В. Гризингере и В. фон Горне. Первое впечатление, которое он получил при входе в психиатрическую карьеру, было отвратительным — принудительное лечение душевнобольных и суеверия и ложные идеи времени оттолкнули его. Только приход Гризингера в 1861 радикально изменил ситуацию. Он получил аудитории для лекций по психиатрии с разрешения ввести некоторых пациентов. Тогда же Вестфаль был избран приват-доцентом по психиатрии в Берлинском университете.
В 1868—1869 из-за непонимания и разногласий Карл-Фридрих-Отто Вестфаль снова на время пошел в терапию и эпидемиологию (этот опыт эму пригодится при изучении малой хореи) и стал заведующим кафедрой натуральной оспы и внутренней медицины, в 1869 после смерти Гризингера стал его преемником — адъюнкт-профессором психиатрии, а также клиническим инструктором кафедры и заведующим в отделении психических и нервных заболеваний и потом в 1871 — директором клиники душевных и нервных болезней (и пробыл им до 1889), в 1874 достиг звания ординарного профессора психиатрии (сменил и на этой кафедре Гризингера).
Вклад Карла-Фридриха-Отто Вестфаля в медицину очень большой и многогранный.
Будучи уже знаменитым невропатологом Карл Вестфаль начал исследовать половые извращения.
Мишель Фуко считает, что Вестфаль связан с рождением гомосексуализма в современном понимании, из-за статьи, опубликованной в 1870, в котором он описывает 2 пациентов, что позже стали известны под понятием «гомосексуализм». Как представляется, это одно из первых медицинских описаний половых психических расстройств.
Он превратил гомосексуализм из заболевания, устанавливаемого посредством исследования тела индивида (а это тогда учёные считали возможным) в психическую болезнь, определяемую с помощью исследования его интеллекта. Поскольку однополая любовь казалась ученым-медикам странной, немецкий психиатр ещё в 1869 назвал её «противоположным», или «извращенным» сексуальным влечением. Это, по его мнению, не грех, а врожденная патология вегетативной нервной системы, «искажающая» «весь внутренний мир собственного пола».
Также он описывал пациентку «с сексуальными чувствами изменённой направленности» как «увлекающуюся мальчишескими играми» и «любящую одеваться как мальчик». Обнаруженное несоответствие воспринималось как проявление болезни, однако её лечение оставалось проблематичным.
Вестфаль переименовал педерастию в «сексуальную инверсию» (в немецком языке «противоположное половое влечение») — формулировку, популярную в XX-м веке. Именно он сделал распространенной ошибочную идею, которой до сих придерживаются многие люди, будто гомосексуалисты-мужчины женственны, а гомосексуалисты-женщины имеют мужские черты. Вестфаль настаивал, что поскольку сексуальная инверсия — это заболевание, её следует лечить врачам, а не наказывать законами.
В 1871 он подробно описал проявления агорафобии — боязни открытых пространств. Сделал это он на основе описания 3 больных мужского пола, проявших крайнюю тревогу и чувство страха, когда они должны были войти в определенные общественные места города. В этом же году он опубликовал статью «Агорафобия, невропатическое явление», в которой впервые дал точное и ясное её описание..
Карл-Фридрих-Отто Вестфаль в 1877 дал классическое определение навязчивых состояний, хотя сам термин был предложен раньше И. М. Балинским..
В 1877 году Вестфаль дал первое описание нарколепсии (за три года до Ж.-Б. Желино, что изобрел сам термин и в честь кого позже назвали болезнь). Также он описал и катаплексию. Вестфаль наблюдал 2 подобных случая и представил их на съезде Берлинского медицинского и психологического общества, а затем описал их в «Архиве психиатрических и нервных расстройств». Также он описал наследственную форму этого процесса. Катаплексию он считал «скрытым приступом эпилепсии», а нарколепсию — последствием катаплексии.
В 1883 он описал и изобрёл раннюю диагностику болезни лат. «pseudosclerosis», что известна сегодня, как болезнь Вильсона-Коновалова. Не найдя ожидаемых бляшек при вскрытии пациента, которого Вестфаль считал больным на рассеянный склероз, он описал её, как неизвестную науке новую болезнь.. Адольф фон Штрюмпель снова описал её в 1898 и назвал «синдром Вестфаля-Штрюмпеля». Он не дожил до 1912, когда его дело было продолжено, а болезнь правильно определена и ей было дано имя гепато-лентикулярной дегенерации С. Вильсоном. В 1960 году советский невропатолог Коновалов Н.В. изучил патоморфологию структр мозга и описал новые формы этой болезни. Болезнь была названа болезнью Вестфаля - Вильсона - Коновалова.
В 1885 году он опубликовал 4 случая паралича конечностей, что характеризовались периодичностью и потерей возбудимости во время электрической стимуляции его приступов. Позже он был назван его именем, а также — гипогликемический периодический паралич.
В 1875 году, а по другим данным раньше (ведь ещё в 1867 были описаны спинномозговые расстройства при некоторых формах прогрессивного паралича), одновременно с (но независимо от) В. Эрба), он описывает феномен глубоких сухожильных рефлексов за счет реакции сокращений мышц. Однако в отличие от Эрба Вестфаль заблуждался, считая это явление не классической рефлекторной дугой, а местным феноменом. Позже именно на основе коленного рефлекса они продемонстрировали связь между спинной сухоткой и прогрессивным параличом. Они описал глубокий сухожильный рефлекс в аномалии при спинной сухотке, который позже стал известен как Эрба-Вестфаля симптом. Также это вообще был второй в истории случай описания у человека безусловных рефлексов после М. Халла, что способствовало развитию рефлексологии в целом и использования неврологических молоточков в частности. К слову, и Эрб, и Вестфаль рекомендовали проверять рефлекс не рукой, а молоточком для перкуссии.
Он же описал одноименный симптом Вестфаля — признак экстрапирамидных нарушений: при пассивном тыльном сгибании стопы это положение некоторое время сохраняется.
В 1876 на гамбургском съезде естествоиспытателей) Вестфаль выделил как самостоятельную нозологическую форму острую паранойю. Описание это было исключительно психологическим, и с современной точки зрения разнородным с разными и причиной, и течением, и прогнозом, но имело большое значение для дальнейшего изучения паранойи и её классификации, используя уже другие принципы.
Его имя также совместно с ещё одним его соратником — невропатологом Л. Эдингером носит Ядро Эдингера-Вестфаля, добавочное ядро третьего глазодвигательного нерва (ЧМН №III), оно же — ядро Якубовича.
В 1889 году он открыл совместно с Малкоффом и А. П. фон Вассерманом связь между малой хореей при ревматизме и бактериальной инфекцией.
Вестфаль был членом нескольких научных обществ, в том числе научной депутации системы здравоохранения, частным медицинским советником, а также активным журналистом.
Его научные работы помещались в различных специальных журналах, а с 1868 — в издаваемом им «Архив психических и нервных болезней» нем. «Archiv f?r Psychiatrie und Nervenkrankheiten» Его «Сборник научных трудов» нем. "«Gesammelten Abhandlungen»" издал уже его сын в 1892 в 2 томах. Большинство его работ относится к страданиям спинномозговой системы и к их связи с болезнями умалишенных.
Он воспитал целую плеяду известных психиатров, неврологов и невропатологов, среди которых есть и наши соотечественники. Кроме учеников, например, в 1889 его посетил Сергей Сергеевич Корсаков. Вестфаль, в дополнение к его многочисленному вкладу в неврологию и нейроанатомию, внедрил рациональные и не строгие способы лечения в психиатрической медицине в Германии. Он, после Горна и Гризингера, окончательно прогнал дух иделлеровской «своеобразной… комбинации физического насилия и попыток морального воздействия)».
После 1886 у Карла-Фридриха-Отто Вестфаля начало прогрессировать психоневрологическое заболевание, которые в конечном итоге привело к его уходу из клиники и кафедры. Он умер в санатории в Кройцлинген в 1890. При вскрытии выявлены атрофия лобных долей мозга и дегенерация задних проводящих путей.
Ю. В. Каннабих, советский психиатр в «Истории психиатрии» пишет: «Великий немецкий невропатолог и психиатр Вестфаль… отличался кристаллической ясностью мышления и исключительной способностью к точному выражению своих научных идей. …Занятия… выработали из него законченного экспериментатора: анатомические и физиологические работы в Париже и приверженность к французской культуре окончательно сформировали этот блестящий и разносторонний ум.»