W 1867 na kilka miesięcy wyjechał do Bielska na Śląsku Austriackim i został pierwszym kierownikiem tamtejszego seminarium nauczycielskiego.
W 1874 zrezygnował z heidelberskiego stanowiska i powrócił do Jeny, gdzie reaktywował swoje seminarium. W 1880 zarządzanie tą instytucją przejął syn Stoya, Johann Heinrich (1846–1905). Działa ona do dziś pod nazwą „Szkoła Karla Volkmara Stoya” (Karl-Volkmar-Stoy-Schule).
Od 1870 Stoy był wiceprzewodniczącym Stowarzyszenia Pedagogiki Naukowej, z której to funkcji zrezygnował wskutek konfliktu z prezesem Tuiskonem Zillerem.
Zmarł 23 stycznia 1885, w dzień po swoich 70. urodzinach, w Jenie.
Myśl Stoy był zwolennikiem herbartyzmu, czyli systemu pedagogicznego opierającego się na stałych formalnych stopniach w procesie nauczania: przygotowaniu, przedstawieniu materiału, powiązaniu z wiedzą już posiadaną, usystematyzowaniu jej oraz wykorzystaniu.
Opowiadał się za pedagogiką jako samodzielną nauką, a więc jej emancypacją z filozofii. Audytorium i szkoła były dla Stoya równouprawnionymi miejscami badań i kształcenia nauczycieli.