Arcybiskup Mediolanu Kiedy 19 listopada 1562 niespodziewanie umarł jego starszy brat Fryderyk, rodzina napominała Karola, by porzucił sprawy Kościoła, ożenił się i miał dzieci, zapewniając rodzinie kontynuację. Jednakże z powodu śmierci brata i coraz bliższych kontaktów z jezuitami, teatynami i za przykładem Bartłomieja z Bragi Karol zdecydował całkowicie poświęcić się sprawom duchowym. 4 września 1563 otrzymał święcenia kapłańskie, a 7 grudnia 1563 w Kaplicy Sykstyńskiej kardynał Giovanni Serbelloni konsekrował go na arcybiskupa Mediolanu. 26 stycznia 1564 otrzymał paliusz metropolitalny. Formalnie został wyznaczony na arcybiskupa Mediolanu 12 maja 1564 po tym, jak jego poprzednik arcybiskup Ippolito II d’Este zrzekł się roszczeń do tej funkcji. Ale minął prawie rok, zanim papież pozwolił mu opuścić Rzym. 23 września 1565 nastąpił uroczysty wjazd do Mediolanu i przejęcie obowiązków. Jego wuj, papież Pius IV, umarł 9 grudnia 1565, a jego następca Pius V został wybrany 7 stycznia 1566.