Nato il 6 novembre del 1661 al Real Alcázar di Madrid, Carlo fu l'ultimogenito e l'unico figlio maschio sopravvissuto di Filippo IV di Spagna e della sua seconda moglie, sua nipote, Marianna d'Austria. Per quanto debole e malaticcio la sua nascita fu accolta con grande gioia dal momento che l'altro erede di Filippo IV, Filippo Prospero, principe delle Asturie, era morto a 4 anni 5 giorni prima che Carlo nascesse e prima di lui erano deceduti Fernando Tomas e Baltasar Carlos nel 1646 a soli 17 anni: Carlo diveniva quindi l'unico erede legittimo di Filippo IV.