Nació en el palacio Wilhelmsthal, siendo el segundo hijo pero primer varón y por lo tanto heredero del gran duque Guillermo Ernesto de Sajonia-Weimar-Eisenach y su segunda esposa, la princesa Feodora de Sajonia-Meiningen.
Cuando su padre murió, el 24 de abril de 1923, Carlos Augusto le sucedió como jefe de la Casa de Sajonia-Weimar-Eisenach.
Hasta 1922 Carlos Augusto fue tercero en la línea de sucesión al trono del Reino de los Países Bajos.
Carlos Augusto murió en Schienen y fue sucedido como Jefe de la Casa por su hijo Miguel.
Del matrimonio nacieron tres hijos: