Развивая классический стиль и идеалистическое направление в немецкоязычной литературе, предложил оригинальный вариант эпического повествования, имевшего в видоизмененных вариантах продолжение и в литературе XX века.
Его творчество было отмечено критиками, а также Фридрихом Ницше, рекомендовавшим его на должность редактора мюнхенского журнала «Кунстварт» («Художественное обозрение»).
Родился в Листале, неподалёку от Базеля в семье правительственного чиновника. В 1849 году семья переехала в Берн, а Карл остался жить у тёти в Базеле и поступил в местную гимназию, получив по отдельным предметам подготовку на университетском уровне.
С детства увлекался музыкой и рисованием. В гимназии под влиянием филолога В. Вакернагеля и историка Якоба Буркхардта у него развился интерес к эпической поэзии, к творчеству поэта эпохи Возрождения Лудовико Ариосто.
В 1863 году поступил в Цюрихский университет на факультет права. С 1863 по 1870 изучал теологию в Цюрихе, Гейдельберге и Базеле.
После окончания обучения ради возможности заниматься литературой отказался от предложения стать пастором и в 1871 уехал в Петербург, где прожил 8 лет.
В 1879 возвратился в Швейцарию. В 1881 занял место учителя в Нойвевилле (кантон Берн), где через два года женился на своей ученице Мари дер Хофф. Работал журналистом в газетах Базеля и Цюриха.
В 1892 семья переехала в Люцерн.
Первые опыты в стихосложении относятся ко времени обучения в гимназии в Базеле.
Свою первую эпическую поэму, написанную ритмизированной прозой, Прометей и Эпиметей (Prometheus und Epimetheus) – аллегорию, содержащую параллели с конфликтами и противоречиями современной общественной жизни - написал в Петербурге.
В 1880 Шпиттелер под псевдонимом Карл Феликс Тандем издал в Швейцарии поэму на собственные средства. Для широкого круга читателей это издание прошло незамеченным.
В период работы журналистом в газетах Базеля и Цюриха написал:
В Люцерне были написаны:
Наибольшую известность Шпиттелеру принесла эпическая поэма Олимпийская весна (Olimpischer Fruhling), выходившая частями с 1900 по 1905 и полностью – в 1910. В 1904 известный дирижёр Феликс Вейнгартнер опубликовал хвалебную статью – с его лёгкой руки Олимпийская весна была признана шедевром немецкоязычной литературы.
В 1908 Шпиттелер выпустил брошюру Мои отношения с Ницше (Meine Beziehungen zu Nietzsche) в связи с предъявленными ему обвинениями в плагиате. Во втором издании Прометея и Эпиметея, выпущенном под его собственным именем, критики усмотрели заимствования из книги Ницше Так говорил Заратустра, на самом деле вышедшей в свет позже первого издания Прометея.
В 1920 году в возрасте 75 лет за поэму Олимпийская весна Карл Шпиттелер получил Нобелевскую премию по литературе. Член Шведской академии Харальд Йерне назвал мифологию Шпиттелера «уникальной формой выражения, в которой в борьбе свободного волеизъявления с навязанной необходимостью предстают на уровне идеального воображения человеческие страдания, надежды и разочарования».
В 1916 г. был награждён медалью Общества франкоязычных писателей за то, что выступил в поддержку нейтралитета Швейцарии, отвергая идею о том, что немецкоязычная Швейцария является «расовым союзником» Германии в Первой мировой войне.
В честь Шпиттелера назван кратер на Меркурии.