Der Sohn von Johann Stamitz war ein Virtuose auf der Violine, Bratsche und Viola d'amore. Er wurde von seinem Vater und nach dessen frühem Tod durch Christian Cannabich und Franz Xaver Richter unterrichtet. Von 1762 bis 1770 war er 2. Violinist in der berühmten Mannheimer Hofkapelle, in dieser Position lernte er das gesamte Mannheimer Repertoire kennen. Ab 1770 zog er nach Paris und wurde Hofkomponist des Herzogs Louis de Noailles, wo er den Komponisten François-Joseph Gossec kennen lernte. Ab 1772 wohnte er in Versailles und komponierte seine erste Programmsinfonie La promenade royale. 1779 zog er nach Den Haag, wo er am Hofe von Wilhelm V. von Oranien 28 Konzerte gab. Bei einem dieser Konzerte saß der 12-jährige Ludwig van Beethoven am Fortepiano.

In den folgenden Jahren machte er zahlreiche Reisen, die ihn nach Straßburg, London, Petersburg, Augsburg, Nürnberg, Kassel, Lübeck, Magdeburg und Jena führten. 1786 wurde in der Berliner Kathedrale unter seiner Leitung Händels Messias aufgeführt. Ab 1794 leitete er die akademischen Konzerte in Jena. Er starb wenige Monate nach dem Tode seiner Gattin, kurz vor einer geplanten Reise nach St. Petersburg. Nach seinem Tode wurde sein Vermögen zur Deckung seiner Schulden versteigert. Carl Stamitz wird zur sogenannten Mannheimer Schule gezählt.