Nacido en Madrid, tras un viaje nocturno desde San Lorenzo de El Escorial, debido a su aspecto débil se le administró el agua de socorro inmediatamente y se le impuso por nombre Carlos.^[3]​ Su bautismo solemne se produjo un mes después, el domingo, 14 de octubre, por el arzobispo de Toledo, Don Bernardo de Sandoval; siendo sus padrinos sus hermanos el príncipe Felipe IV y la infanta Ana.^{[Nota 1]}​^[4]​^[5]​^[6]​^[7]​

En julio de 1621 fue nombrado como su ayo Alonso de Bracamonte y Guzmán, I conde de Peñaranda de Bracamonte.^[8]​^{[Nota 2]}​^[9]​

Tras la muerte de su padre Felipe III, en 1621, y hasta el nacimiento de su sobrino, Baltasar Carlos, en 1629, ocupó el primer puesto en la línea de sucesión al trono.

Estuvo a punto de subir al trono durante la gravísima enfermedad que sufrió Felipe IV en 1627 y de la que finalmente se recuperó.

A partir del nacimiento de su sobrino, el príncipe Baltasar Carlos, su papel político, si es que alguna vez fue importante, se disipó completamente.^[1]​^[10]​ En 1629 fue padrino de bautismo, junto con su hermana María de su sobrino Baltasar Carlos.^[11]​

Fue nombrado virrey y capitán general de Portugal, India, África y su conquista y generalísimo del mar en abril de 1631, aunque nunca llegaría a tomar posesión del cargo.

Según el embajador de la República de Venecia ante Felipe IV, Alvise Mocenigo,^[12]​ el infante Don Carlos: ^[13]​

"Es tan reservado en el hablar y observa tal sumisión hacia su hermano, del que nunca se separa un paso, que no se sabe cuáles son sus aficiones. Los mismos nobles que asisten al rey una semana, sirven al infante la siguiente. Come con S. M., le sigue a todas partes como una sombra. Solo le deja cuando el rey examina las consultas y despacha con el conde-duque. Vive, en suma, en una prisión perpetua".

Es considerado como uno de los más enigmáticos personajes de aquel período debido a su extraña y puede que enfermiza personalidad.^[1]​^[2]​ El historiador británico John Elliott ha afirmado, sin aportar una base sólida, que el Infante Don Carlos sufría algún tipo de retraso mental.^[14]​ Dichas afirmaciones podrían ser entendidas al ser conscientes de que Carlos era un obstáculo para el válido de su hermano el Rey; Felipe IV, el Conde-Duque de Olivares. No porque representase una amenaza directa, sino por las facciones que podrían surgir a su alrededor, fomentadas por los numerosos enemigos del rey.

Carlos de Austria estuvo rodeado de intrigas políticas debido a su posición en la línea de sucesión al trono durante la mayor parte de su vida. Su presencia en la corte generó tensiones y se formaron grupos de oposición, en parte porque su figura era vista como un posible rival para aquellos que buscaban el poder. ^[14]​

Por esta razón, el Conde-Duque de Olivares procuró mantenerlo vigilado mediante una red de informantes dentro de su servidumbre, quienes le proporcionaban información detallada sobre sus movimientos. Además, intentó distanciarlo de la corte al designarlo Virrey de Portugal, aunque Carlos nunca llegó a asumir ese cargo, probablemente debido a la dificultad de encontrar un ministro de confianza que lo acompañara.^[14]​

En vano, ya que eventualmente, se formó un grupo de oposición a la política de Olivares dentro del entorno cercano al infante, integrado, entre otros, por el almirante de Castilla, duque de Medina de Rioseco, y Antonio de Moscoso, ambos cercanos a Carlos.^[15]​ Este grupo contribuyó a la caída del poder de Olivares, aunque no directamente a través de Carlos. No obstante, este siempre se mostró poco atraído por los asuntos políticos.

Su voluntad fue influenciada y manipulada por varias figuras de la corte, como Don Antonio de Moscoso, quien logró apoderarse de su confianza. Don Antonio, con el objetivo de aumentar su poder personal y acceder a mayores influencias, manipuló al Infante y logró que se alineara con sus propios intereses, favoreciendo incluso las pretensiones del Conde Duque de Olivares, quien ambicionaba el control de la corte y las decisiones sobre la sucesión. Además, otros personajes como el Almirante, amigo cercano de Don Antonio, también formaron parte de esta red de influencias. Mientras tanto, el Infante, aunque en teoría se encontraba en una posición de poder, se vio atrapado por las maquinaciones de los cortesanos que lo rodeaban, siendo utilizado como peón en sus luchas por el control político. ^[16]​

Esta dinámica de manipulación y dependencia resultó en que Don Carlos no pudiera tomar decisiones por sí mismo y se convirtiera en un instrumento de los intereses de otros en la corte española. ^[16]​

Durante su corta vida realizaría varios viajes, acompañando a su hermano Felipe IV; en 1624, a Andalucía,^{[Nota 3]}​^[17]​^[18]​ y en 1626, a la jornada de Aragón. En abril de 1632 también a Valencia y Barcelona.^[19]​

En 1627 fue nombrado como su confesor el dominico fray Domingo Cano de Haro,^{[Nota 4]}​^[20]​ hombre cercano a Olivares.^[21]​^[22]​ También fueron miembros de su casa: como gentiles hombres de cámara: los condes de Villamor y Cantillana^{[Nota 5]}​^[23]​, el cronista Jerónimo Gascón de Torquemada^{[Nota 6]}​^[24]​^[25]​ y Don Antonio de Moscoso.^[16]​ El conde de Cantillana también sería nombrado capitán de la guardia del infante.^{[Nota 7]}​^[26]​

Don Carlos murió el 30 de julio de 1632, dos meses antes de cumplir 25 años, tras una rápida enfermedad que había empezado el 24 de julio, probablemente viruela. Murió en sus habitaciones del Alcázar de Madrid,^{[Nota 8]}​^[27]​ con "grandísimos parasismos".^[28]​ Su capilla ardiente se instaló en la galería baja de su hermano, el infante Don Fernando en ese palacio.^[29]​

A su muerte, se le dedicaron multitud de poemas laudatorios. El escritor Francisco de Quevedo le dedicó el soneto titulado Túmulo al serenísimo Infante Don Carlos:^[30]​

"Entre las coronadas sombras mías que guardas, ¡oh glorioso monumento!, bien merecen lugar, bien ornamento, las llamas antes, ya cenizas frías. / Guarda, ¡oh!, sus breves malogrados días en religioso y alto sentimiento; ya que en polvo atesora el escarmiento, su gloria a las supremas monarquías. / No pase huésped por aquí que ignore el duro caso, y que en las piedras duras, con los ojos que el título leyere, / a don Carlos no aclame y no le llore, si no fuere más duro que ellas duras, cuando lo que ellas sienten no sintiere".

A pesar de la fama negativa que ha perdurado con el tiempo,^[14]​^[31]​ se dice que era muy querido por el pueblo. Descrito como una persona de carácter sencillo y afable.^[31]​ Se estima que hasta 800 personas asistieron a su funeral,^[32]​ expresando su pesar y destacando su valentía y generosidad. Jerónimo Gascón de Torquemada menciona en Gaçeta y nuevas de la Corte de España: ^[32]​

"Su muerte fue un dolor colectivo, pues un príncipe tan joven y generoso podría haber mostrado al mundo todo su potencial, si tan solo le hubieran permitido volar, porque hasta las piedras lloraron esta pérdida. Requiestat in Pace, Amén".

También se menciona en Documentos inéditos para la historia de España^[33]​ sobre él: ^[34]​

"Por cualquier lugar y cualquiera provincia bendecian la persona del Infante; y como no podemos adivinar la carrera de la vida si será larga ó corta, abrazándonos á aquello que nos promete la esperanza, los diligentes observadores de heróicas empresas y fortunas, por los aspectos y maravillosa suerte de los príncipes y buen uso de sus inclinaciones, decian que seria grande, valeroso; y como era magnánimo, que seria el señor del mundo, conseguiria arduas hazañas y victoriosas, y que quedaria en la posteridad, á la par de César, su bisabuelo, Carlos V".

Vivió soltero hasta su fallecimiento, entregado a sus pasatiempos favoritos: la pintura y la poesía.^[35]​

En su corta vida (24 años) su figura fue protagonista de diversos retratos cortesanos, entre los que destaca el realizado por Velázquez. Este retrato ha sido alabado por haber sabido plasmar el pintor la complicada psicología del infante.^[36]​

•   354.º caballero de la Insigne Orden del Toisón de Oro (7 de diciembre de 1623).^[37]​^[38]​

• Retrato del infante Don Carlos, por Diego Velázquez.

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•   Wikisource contiene obras originales de o sobre Carlos de Austria (1607-1632). Soneto Túmulo al serenísimo Infante Don Carlos escrito por Francisco de Quevedo

• Duchesne, Marion (31 de marzo de 2021). «“El que murió cuando nacía”. Reloj de un infante perfecto: Carlos de Austria (1607-1632) en los elogios fúnebres». Revista Historia Autónoma (18): 75-89. ISSN 2254-8726. doi:10.15366/rha2021.18.004. Consultado el 2 de septiembre de 2022. 
• Gascón de Torquemada, Gerónimo (1991). Gaçeta y nuevas de la Corte de España desde el año 1600 en adelante. RAMHG. p. 341. ISBN 9788460078555.  |fechaacceso= requiere |url= (ayuda)