Carlo X era figlio di Giovanni Casimiro, conte palatino di Zweibrücken-Kleeburg e di Caterina Vasa. Dopo la morte del padre, gli succedette come conte palatino. Sposò Edvige Eleonora di Holstein-Gottorp, che gli diede tra gli altri il successore Carlo XI. Carlo X Gustavo era il secondo re di Svezia della dinastia tedesca dei Wittelsbach dopo Cristoforo di Baviera (1441–1448) che era morto senza eredi. Prima di ascendere al trono svedese, venne nominato dal predecessore, la cugina Cristina di Svezia, duca di Eyland (Öland).