Fue el padre del archiduque Francisco Fernando de Austria, cuyo asesinato desencadenó la Primera Guerra Mundial.

Tras la muerte de su sobrino, el príncipe heredero Rodolfo (1858-1889), se convirtió en presunto heredero del Imperio austrohúngaro.

Poco después de la muerte de su sobrino, apareció un artículo periodístico en el que afirmaba que el archiduque había renunciado a sus derechos sucesorios en favor de su hijo mayor, Francisco Fernando; sin embargo, este rumor resultó ser falso: Carlos Luis se mantuvo en el primer lugar en la línea de sucesión hasta su muerte.

Recién entonces, su hijo fue proclamado heredero aparente.

Su primera esposa, con quien se casó el 4 de noviembre de 1856 en Dresde, fue su prima hermana y prima tercera, la princesa Margarita de Sajonia (1840-1858), hija del rey Juan I de Sajonia (1801-1873) y de su esposa, la princesa Amalia de Baviera (1801-1877).