Został pochowany w kościele Nossa Senhora do Monte w Funchal, pogrzeb zgromadził 30 tys. ludzi. Jego grobowiec zajmuje osobną kaplicę w kościele. Od 1982 roku w kościele kapucynów w Wiedniu, tradycyjnym miejscu pochówku władców z dynastii Habsburgów, czeka miejsce na jego grób. Rodzina uznała jednak, że przeniesienie zwłok byłoby nietaktem wobec mieszkańców Madery, którzy pomagali mu w ostatnim okresie życia. Jego grób na Maderze pozostaje miejscem pielgrzymek, odwiedzanym przez tysiące osób rocznie.
Beatyfikacja Proces beatyfikacyjny rozpoczął się w 1949 roku. Karol I Habsburg został beatyfikowany 3 października 2004 przez papieża Jana Pawła II w Watykanie. Liturgiczne wspomnienie bł. Karola I Habsburga przypada 21 października.
Zachowały się relacje mówiące o tym, że rodzice Karola Wojtyły nadali przyszłemu papieżowi imię Karol właśnie na cześć ostatniego władcy Austro-Węgier Karola I Habsburga. Drugie imię Józef, miał zawdzięczać cesarzowi Franciszkowi Józefowi I. Papież spotkał się kiedyś z cesarzową Zytą, żoną ostatniego cesarza Austrii Karola I Habsburga, witając ją słowami: Miło mi powitać cesarzową mojego ojca. W rodzinie Wojtyłów silna była więź sympatii z Austrią.