Карл Молден, урождённый Младен Джёрдже Секулович (серб. Младен Ђорђе Секуловић) родился в сербской семье в Чикаго, а своё детство провёл в городе Гэри в штате Индиана. Его мать, родом их Чехии, работала швеёй, а отец — рабочим на сталелитейном заводе. В школе Младен часто участвовал в театральных постановках, но всё же после её окончания пошёл по стопам отца и устроился работать на сталелитейный завод.
В 1934 году он покинул свой родной город и отправился в Чикаго, где поступил на обучение в Институт искусств, который окончил в 1938 году. Там же он сменил своё имя на Карл Молден. Во время своих выступлений в театре Гудмана он познакомился с актрисой Моной Грэм, на которой в 1938 году женился. После окончания института он так и не смог найти себе работу и был вынужден вернуться назад в Гэри.
Там он пробыл недолго и в том же году отправился в Нью-Йорк, где ему удалось пробиться в один из бродвейских театров. Помимо театра Молден стал участвовать в радиопостановках, а в 1940 году дебютировал в кино.
Его актёрская карьера была прервана из-за начавшейся Второй мировой войны, во время которой он служил сержантом в ВВС США. После её окончания Карл вновь вернулся на театральную сцену, а с начала 1950-х годов стал более активно сниматься в кино. Он появился в таких фильмах, как «Стрелок» (1950), «Трамвай „Желание“» (1951), за роль в котором он удостоился премии «Оскар» за Лучшую мужскую роль второго плана, «Я исповедуюсь» (1953), «В порту» (1954), «Куколка» (1956), «Паттон» (1970), «Кошка о девяти хвостах» (1971), «Смертельное видение» (1984), роль в котором принесла ему «Эмми», и многих других.
Молден был сторонником системы Станиславского. Он был одинаково убедителен в роли веселого шерифа-садиста в фильме «Лжецы» (1961) (режиссёрском опыте друга Молдена Марлона Брандо), аморального антигероя в фильме Кена Рассела «Мозг ценой в миллиард долларов» (1967), резкого члена профсоюза в малоудачном сериале «Героин» (1980). Он любил повторять: «Мне нравятся все фильмы, в которых я снимался, даже плохие… потому что я люблю работу».
Помимо кино Молден много снимался и на телевидении. Большой популярностью пользовался сериал «Улицы Сан-Франциско» (1971—1976), в котором Молден сыграл добродушного следователя, выступив напарником молодого Майкла Дугласа. На телевидении он сыграл и свою последнюю значительную роль — священника и исповедника президента, отца Томаса Кавано — в 2000 году в сериале «Западное крыло».
С 1989 по 1992 год актёр возглавлял Академию кинематографических искусств и наук.
В декабре 2008 года он вместе с женой отметил 70-ю годовщину их брака, который считается одним из самых долгих в истории Голливуда. 1 июля 2009 года Карл Молден умер в своём доме в пригороде Лос-Анджелеса в возрасте 97 лет.
За свой вклад в киноиндустрию он удостоен звезды на Голливудской аллее славы на Голливуд-бульвар 6231.