W ciągu swego krótkiego życia odbył kilka podróży, towarzysząc swemu bratu królowi Filipowi IV; w 1624 roku udał się do Andaluzji , a w 1626 roku na kampanię w Aragonii. W kwietniu 1632 roku udał się także do Walencji i Barcelony.
Śmierć Karol Habsburg zmarł 30 lipca 1632 roku, dwa miesiące przed swoimi 25. urodzinami, po gwałtownej chorobie, która rozpoczęła się 24 lipca, prawdopodobnie na ospę. Zmarł w swoich komnatach w Madrycie z „ wielkim paraliżem ” . Jego ciało wystawiono na widok publiczny w dolnej galerii jego brata, Infanta Ferdynanda Habsburga.
Po jego śmierci poświęcono mu liczne wiersze pochwalne. Pisarz Francisco de Quevedo y Villegas zadedykował mu sonet zatytułowany „Tumule ku czci najjaśniejszego infanta Don Carlosa” : „Wśród moich ukoronowanych cieni, których strzeżesz, o chwalebny pomniku!, płomienie, teraz zimne popioły, zasługują na miejsce, na godną ozdobę. / Strzeż, o!, ich krótkich, nieszczęsnych dni w religijnym i wzniosłym uczuciu; skoro oni chowają naukę w prochu, swoją chwałę dla najwyższych monarchii.