Будучи старшим сыном короля, а значит и наследником престола, Карлуш воспитывался как будущий монарх. С ранних лет он получал усиленное образование и много путешествовал по стране, а в 1883 году по инициативе отца посетил Италию, Англию, Францию и Германию, чтобы познакомиться с европейскими обычаями и повысить уровень своих знаний в различных областях. В ходе гранд-тура Карлуш подружился с кронпринцем Рудольфом Австрийским, единственным сыном и наследником Франца Иосифа. С молодых лет Карлуш привлекался отцом к управлению государством. Во время длительных зарубежных поездок Луиша (в 1883, 1886 и 1888 годах). Карлуш исполнял обязанности регента при отсутствующем отце. А 19 октября 1889 года, когда Луиш I скончался, он взошел на трон и стал его преемником, короновавшись как Карлуш I.
Подобно отцу, Карлуш был человеком умным и образованным, обладал художественным вкусом. Он писал очень неплохие картины и проявлял интерес к наукам, особенно к глубоководным морским исследованиям. В 1894 г. король принял непосредственное участие в торжествах, посвященных 500-летию Энрике Мореплавателя. Однако как правитель Карлуш был совершенно несостоятелен. В августе 1890 г. Португалия потерпела сокрушительное поражение во внешней политике, не сумев отстоять проект "Розовая карта", подразумевавший создание "перемычки" между Анголой и Мозамбиком через внутренние районы Африки. Этому проекту препятствовала Великобритания, вынашивавшая планы строительства железной дороги Каир-Кейптаун и нуждавшаяся в непрерывной цепочке владений. Британия принудила Португалию к подписанию двух унизительных соглашений (1890 и 1889 гг.), поставивших последнюю в экономическую и политическую зависимость от Англии.
Договоры с Великобританией сильно пошатнули престиж короля, который и так был невысок из-за неспособности Карлуша разобраться со внутренними проблемами. Дважды — в 1892 и 1902 гг. - Португалия объявлялась банкротом, что вызвало сбои в промышленности, рост социального антагонизма и антимонархических настроений в Португалии. Банкротство было вызвано не только экономической неполноценностью государства, но и чрезмерной расточительностью короля. В стране начались беспорядки, на которые Карлуш ответил роспуском парламента и назначением на пост премьер-министра Жуана Франку. Тот сформировал в стране антиреспубликанское правительство и установил жесткую диктатуру, что еще более ухудшило положение монарха.
1 февраля 1908 года король, королева и их сыновья возвращались с отдыха в Лиссабон. Когда открытый экипаж, где находилась королевская семья, выехал на площадь Террейру-ду-Пасу, террористы-республиканцы Алфреду Кошта и Мануэл Буиса открыли по ним огонь. Кошта стрелял в короля из револьвера, а Буиса, бывший военный снайпер, сделал пять выстрелов из винтовки, скрытой под его длинным пальто: король был убит на месте, а его старший сын, престолонаследник Луиш Филипе скончался через 20 минут, не приходя в сознание. Принц Мануэл был легко ранен в руку. Единственным членом семьи, который не получил ранений, была супруга Карлуша I, Амелия Орлеанская, отбивавшаяся от террористов с помощью большого букета цветов, чтобы спасти жизнь младшему сыну. Оба цареубийцы были убиты на месте: Кошта — затоптан толпой, а Буиса — застрелен гвардейским офицером.
В 2006 году в городе Кашкайше Карлушу I был поставлен бронзовый памятник, на котором король запечатлен в морской униформе стоящим на борту судна с биноклем в руках и смотрящим на залив.
Кашкайш (порт. Cascais; [kɐʃ'kaiʃ]) — город и морской порт в Португалии, центр одноимённого муниципалитета в составе округа Лиссабон. Численность населения — 33,3 тыс. жителей (город), 185,3 тыс. жителей (муниципалитет). Город и муниципалитет входит в Лиссабонский регион и субрегион Большой Лиссабон. Входит в агломерацию Большой Лиссабон. По старому административному делению входил в провинцию Эштремадура.