Carl Friedrich adalah putra tertua dari Adipati yang kelak menjadi Adipati Agung Carl August dari Sachsen-Weimar-Eisenach (1757–1828) dari pernikahannya dengan Luise (1757–1830), putri dari Landgraf Ludwig IX dari Hesse-Darmstadt. Ia dikenal sebagai anak kesayangan ibunya, sementara sang ayah lebih menyukai adiknya, Bernhard. Setelah menyelesaikan pendidikannya, yang salah satunya dibimbing oleh Johann Gottfried Herder, sang pangeran memulai tur yang membawanya ke Prancis dan Rusia.
Pada 3 Agustus 1804, ia menikah di Sankt Petersburg dengan Maria Pavlovna (1786–1859), putri dari Tsar Rusia Pavel I dan istri keduanya, Putri Sophie Dorothee dari Württemberg (1759–1828). Untuk menyambut kedatangan pasangan ini di Weimar, Friedrich Schiller menggubah karya puisi Die Huldigung der Künste. Masa-masanya sebagai pangeran penerus takhta (Erbprinz) dihabiskan oleh Carl Friedrich sebagian di Weimar dan sebagian lagi di Sankt Petersburg. Pada 14 Juni 1808, ia dianugerahi Ordo Elang Hitam oleh Raja Prusia.
Karena Carl Friedrich gemar melakukan pekerjaan tangan dan ingin mempelajari seni bubut kayu artistik, ia mencari seorang guru pembimbing dan menemukannya pada diri August Zeiß, ayah dari Carl Zeiss. Hal ini melahirkan hubungan pertemanan di antara keduanya yang berlangsung selama 40 tahun. Ketika seorang putra lahir dalam keluarga Zeiß pada 11 September 1816, sang pangeran penerus bersedia menjadi bapak baptisnya dan bayi yang baru lahir tersebut dibaptis dengan nama Carl Friedrich untuk menghormati sang pangeran. Oleh karena itu, nama perusahaan Carl Zeiss AG secara tidak langsung merujuk pada Adipati Agung Carl Friedrich.
Setelah kematian ayahnya, ia menjadi Adipati Agung yang memerintah pada 4 Juni 1828. Dalam prinsip-prinsip pemerintahan, Carl Friedrich melanjutkan kebijakan ayahnya, namun ia memangkas pengeluaran rumah tangga istana secara signifikan. Di bawah pengaruh istrinya, bank tabungan pertama di kadipaten tersebut serta berbagai lembaga kesejahteraan mulai didirikan sejak tahun 1821. Carl Friedrich memajukan sektor pertanian, perdagangan, dan industri kerajinan. Ia membawa kadipatennya bergabung dengan Persatuan Pabean Jerman pada tahun 1834, serta menandatangani kontrak dengan kadipaten-kadipaten Thuringia lainnya dan Prusia untuk membangun Jalur Kereta Api Thuringia dari Halle (Saale) melalui Weimar menuju Eisenach. Dalam menentukan rute jalur kereta api tersebut, ia berhasil memenangkan kepentingannya atas Prusia.
Pada 6 April 1842, Raja Prusia mengangkatnya menjadi Mayor Jenderal. Sebagai dampak dari Revolusi 1848, konstitusi tahun 1816 diliberalisasi lebih lanjut. Pada hari-hari di bulan Maret tahun 1848, terjadi kerusuhan di halaman istana karena masyarakat menuntut penunjukan menteri-menteri yang liberal. Ernst Christian August von Gersdorff terpaksa diberhentikan dan kabinet berikutnya mengeluarkan berbagai peraturan yang juga membatasi hak-hak sang Haryapatih.
Carl Friedrich sepenuhnya berada di bawah bayang-bayang ayahnya. Meskipun ia lebih hemat daripada sang ayah, ia tidak memiliki kepekaan terhadap tren zaman baru. Inisiatif untuk awal baru di bidang budaya hampir selalu datang dari istrinya yang sangat berbakat. Pemerintahannya condong ke Prusia: dua orang putri dinikahkan dengan pangeran-pangeran Hohenzollern dan para perwira dididik di akademi-akademi Prusia.
