Primogenito delle seconde nozze di Filippo V di Spagna con Elisabetta Farnese, era durante l'infanzia solo terzo nella linea di successione al trono spagnolo, cosicché sua madre si adoperò per dargli una corona in Italia rivendicando l'eredità dei Farnese e dei Medici, due dinastie italiane prossime all'estinzione. Grazie a un'efficace combinazione di diplomazia e interventi armati, la Farnese riuscì a ottenere dalle potenze europee il riconoscimento dei diritti dinastici di Carlo sul Ducato di Parma e Piacenza, di cui egli divenne duca nel 1731, e sul Granducato di Toscana, dove l'anno seguente fu dichiarato gran principe (cioè principe ereditario).