1833年7月30日，卡尔·路德维希大公在维也纳的美泉宫出生。他是奥德利的弗兰茨·卡尔大公和巴伐利亚的索菲公主的第三个儿子。卡尔·路德维希也被认为是四兄弟中最愚笨的。为了确保卡尔·路德维希长大后能成为一名虔诚的天主教徒，索菲公主便将他交由维也纳大主教约瑟夫·奥斯马·劳舍尔教育，这也使得卡尔·路德维希在晚年时成为了一名宗教狂。虽然卡尔·路德维希对政治不感兴趣，但当他20岁时，他依旧进入了由阿格诺尔·罗穆亚尔德·果鲁霍夫斯基伯爵所领导的加利西亚政府。1855年，卡尔·路德维希被任命为蒂罗尔州的总督，他也随即在位于蒂罗尔的首府因斯布鲁克的安布拉斯城内定居。然而，他却发现自己的权利受到了由其堂哥雷纳·斐迪南大公所领导的奥地利内阁和亚历山大·冯·巴赫男爵的限制。卡尔·路德维希也因他的极端保守而臭名昭着，当他在蒂罗尔和福拉尔贝格任职期间，他表现出了明显的反自由主义和教权主义的倾向。他最终于1861年卸职。

卡尔·路德维希四兄弟

卡尔·路德维希也被人们戏称为“展览大公”。他之所以获得这个绰号并不是因为他特别热衷于艺术和科学，而是因为他经常代表他的皇帝哥哥作为帝国的象徵出席各种开幕典礼。他同时也是一所与美术学院有关的艺术家协会的赞助人。

卡尔·路德维希与他的第三任妻子，玛丽亚·特蕾莎公主

作为弗兰茨·约瑟夫一世倖存下来的最大的弟弟，当卡尔·路德维希的侄子鲁道夫皇太子于1889年去世后，他成为了奥匈帝国的假定继承人。然而，就在他侄子去世后不久，就有报纸报导到大公已经放弃了自己的继承权，转而支持他的长子弗朗茨·斐迪南大公。但后来这个传闻被证明是假的。

1896年，卡尔·路德维希大公前往圣地朝圣。他在途中饮用了约旦河的河水，但却因感染而引发的併发症于5月19日不幸去世。

卡尔·路德维希一共结过三次婚。

1856年11月4日，卡尔·路德维希与他的第一代表妹，萨克森国王约翰一世和巴伐利亚的阿玛莉亚·奥古斯特公主的女儿，萨克森的玛格丽莎公主在德勒斯登结婚。玛格丽莎于1858年9月15日去世，这对夫妇没有子女。

1862年10月16日，卡尔·路德维希与两西西里国王费迪南多二世和的奥地利的玛丽亚·特蕾莎女大公的女儿，波旁-两西西里的玛丽亚·安农齐亚塔公主在罗马代理结婚。1862年10月21日，两人亲自出席了在维也纳举行的婚礼。这对夫妇一共育有3子1女：

1871年5月4日，玛丽亚·安农齐亚塔去世。两年后的1873年7月23日，卡尔·路德维希与葡萄牙国王米格尔一世和勒文斯泰因-韦特海姆-罗森伯格的阿德莱德公主的女儿，葡萄牙的玛丽亚·特蕾莎公主在小霍伊巴赫结婚。两人一共育有2女：