Studium der Medizin in Breslau. 1866 Promotion in Berlin. Danach Assistenzarzt in Breslau. 1870/71 Kriegsteilnahme. 1874 erster Assistent bei Julius Friedrich Cohnheim (1839-1884) am Breslauer Pathologischen Institut. 1875 Habilitation. 1878 folgte W. als Extraordinarius Cohnheim nach Leipzig. Vermutlich wegen seines jüdischen Glaubens versagte ihm die dortige Medizinische Fakultät nach Cohnheims Tod dessen Ordinariat. So nahm W. 1885 den Ruf zum Direktor des Pathologisch-anatomischen Instituts der Dr. Senckenbergischen Stiftung in Ffm. an. Noch im selben Jahr wurde ihm der Lehrstuhl für Pathologische Anatomie am Senckenbergischen Institut übertragen. Gleichzeitig wurde W. zum Prosektor der Ffter Hospitäler ernannt. Die Stelle wurde eigens für ihn geschaffen. W. förderte durch die von ihm entwickelten Färbemethoden die normale und pathologische Histologie, insbesondere des Zentralnervensystems, und die Bakteriologie. Außerdem entwickelte er Mikrotome (Schneidemaschinen zur Herstellung dünner Gewebeschnitte für die Mikroskopie). Zahlreiche zeitgenössische Kollegen, u. a. sein Cousin Paul Ehrlich und Robert Koch, konnten auf W.s Forschungen aufbauen.
Seit 1896 Vorsitzender des Ärztlichen Vereins.
Zahlreiche Fachveröffentlichungen, u. a. „Anatomische Beiträge zur Lehre von den Pocken” (2 Teile, 1874/75), „Färbung der Bacterien mit Anilinfarben” (1875), „Pathogenese der Miliartuberkulose” (1882) und „Beiträge zur Kenntnis der normalen menschlichen Neuroglia” (1895).
Porträts (Ölgemälde von Ottilie W. Roederstein, 1897, und von Mathilde Battenberg) im Besitz der Dr. Senckenbergischen Stiftung.
Carl-W.-Platz in Sachsenhausen.