スウェーデン前国王グスタフ6世アドルフの長男グスタフ・アドルフと、ザクセン＝コーブルク＝ゴータ公カール・エドゥアルトの娘シビラの第五子（長男）として誕生した。

1946年6月7日に王立教会でウプサラ大司教であるアーリン・エイデムによって洗礼を受け、「イェムトランド公」の称号を与えられ、デンマーク王太子夫妻、ノルウェー王太子オーラヴ、オランダ王太子ユリアナ、国王グスタフ5世、フリードリヒ・ヨシアス、王太子夫妻、フォルケ・ベルナドッテ、マリア・ベルナドッテが代父母となった。
王太孫時代

1947年1月26日、父グスタフ・アドルフが飛行機事故で薨去したため、祖父に次いで王位継承権第2位となった。1950年にグスタフ6世アドルフが高齢で国王に即位した時、王位継承権者であるカール・グスタフはまだ4歳の幼児だった為、グスタフ6世アドルフを最後に君主制を廃止することが議会で議論された。しかし共和制への移行は否決され、正式にカール・グスタフが王太孫となる事が決まった。

高校卒業後は、スウェーデン軍において2年半にわたって教育を受け、1968年にスウェーデン陸海空軍大尉に任官された。その後は、ウプサラ大学とストックホルム大学において、歴史学、社会学、政治学、税法を学んだ。

大学での教育を修了した後は、将来の国王としての役割を果たす事に備える為、裁判所制度や社会団体、労働組合、業界団体など幅広い分野への研究に従事し、特に議会や行政、外交に関する研究には非常に熱心に取り組んでいた。

他にも、国際連合や国際開発協力庁におけるスウェーデン代表の一員として過ごしたほか、ロンドンでは銀行やスウェーデン大使館、フランスでは自国の商工会議所やアルファ・ラバルの現地法人の工場などで体験就労を行った。
即位

1973年9月15日に祖父の後を継いで国王となり、4日後の9月19日にストックホルムの王宮で即位式が執り行われた。翌年のスウェーデン憲法改正ですべての統治権力を喪失し、儀礼的な国家元首の地位となった。
性風俗店通いスキャンダル疑惑

2010年11月、カール・グスタフが不倫や性風俗店に出入りしていたとする内容の暴露本“Carl XVI Gustaf ? Den motvillige monarken”（カール16世グスタフ?嫌らしい君主）が出版され騒動となったが、プライバシー重視の国柄もあって騒ぎは一段落していた[1]。

しかし2011年5月、証拠とされる裸の女性2人と一緒に撮影した写真をユーゴスラビア出身のギャング・ミレ・マルコヴィッチを仲介して買い取ろうとしたことが発覚してスキャンダルが再燃。カール・グスタフ本人は、性風俗店への出入りともみ消し工作への関与を否定し、「退位するつもりはない」と表明した。これにより、地元メディアでは「国王の信頼は失墜した」として退位を求める論調を出し[2][1]、2011年半ばによる世論調査ではスキャンダル再燃前と比較して国王支持派は64%から44%に減少した[3]。

2011年12月、スウェーデンの大衆紙・エクスプレッセン[4]が、証拠とされる写真は1976年にシルヴィア王妃とともにテレビ番組に出演する国王の画像[5]から盗用し性風俗店内の裸の女性の写真にデジタル修正を施した[6]と証明し、マルコヴィッチは以前にもセレブを強請するためにこれと似た行為[注釈 1]をした事がある[7]と報じた。

スウェーデンの法律では売春は合法となっているが、買春は違法となっている[8][1]。
新型コロナウイルス感染

2021年、新型コロナウイルス感染症の拡大に伴い、コロナワクチンの接種を3回（ブースターショットも含む）受けたが、2022年1月、シルビア王妃とともにコロナウイルスに感染して発症。王室は感染に関して「夫妻の症状は軽微で、健康状態は良い」と発表している[9]。
人物カール16世グスタフ夫妻

長年、ディスレクシアを抱えているのではないかとの噂が流れていた。とあるジャーナリストは、国王が継承文書に署名する際、自身の名前を誤って綴った事と、1973年にファールンの銅山を訪問し、岩壁に署名をする際に、自身の名前を“Cal Gustf”と書いた事に言及した。これらの事に関しては、シルヴィア王妃が1997年に出演したテレビ番組のインタビューの中で正式に認めている。同時に、夫妻の子女達も軽度のディスレクシアを抱えている事も公表している。

1975年6月25日から1977年2月9日までの間、イギリス海軍の名誉元帥を務めていた事がある。