卡爾于1826年在斯德哥爾摩王宮出生，即獲封為斯科訥公爵。他曾受教於哲學家克里斯托法·雅各布·博斯特倫和歷史學家弗雷德里克·費爾德南德·卡爾松，1843年和1845年入讀烏普薩拉大學，1844年春在奧斯陸求學。他喜歡藝術(shù)，藝術(shù)學院教授隆德奎斯特和水彩畫家約翰·克里斯蒂安·貝爾耶都是他的藝術(shù)老師。他在1856年獲任命為挪威副王，在挪威期間常常在郊外寫生。

1850年代時，斯堪的納維亞各國關(guān)系十分良好，瑞典和挪威的卡爾王儲和丹麥國王弗雷德里克七世自1846年在哥本哈根會面后，一直都是好朋友。卡爾希望推動各國在政治上的合作。1857年夏，奧斯卡一世患上重病，瑞典和挪威議會通過由卡爾王儲攝政。

奧斯卡一世在1857年9月25日病逝，卡爾繼位為瑞典及挪威國王。他在位期間，瑞典和挪威的關(guān)系轉(zhuǎn)趨惡化。

他熱心于泛斯堪的納維亞主義，但未能如愿。他在1863年7月和弗雷德里克七世在斯庫德斯堡會談后，答應(yīng)丹麥首相卡爾·克里斯蒂安·霍爾，瑞典會協(xié)助丹麥防衛(wèi)石勒蘇益格。然而，兩國正式協(xié)商前，卡爾便因國內(nèi)政治形勢而被迫放棄支援丹麥。

他的北歐政策未能成功，但國內(nèi)法治則見強化。正如他的格言“國家以法律建成（Land skall med lag byggas）”，他進行了瑞典的法律改革，社區(qū)法（1862年）、教會法（1863年）和刑罰法（1864年）都沿用至今。他也進行了以路易斯·德·吉爾為首的議會改革，1866年廢除了四院制，建立了現(xiàn)時的瑞典議會。1876年，他任命路易斯·德·吉爾為瑞典第一任首相。

他也推動基礎(chǔ)建設(shè)和工業(yè)化，下令建造了瑞典最大的鐵路。1868年11月，瑞典、挪威和日本簽訂“友誼、貿(mào)易和航海條約”。根據(jù)《橫濱條約》，日本開放函館、橫濱、長崎、神戶和大坂給瑞典商旅經(jīng)商，瑞典-挪威可往這些商埠派駐外交人員，而且瑞典人和挪威人享有領(lǐng)事裁判權(quán)。

他在1872年9月18日死于馬爾默。由于他的兒子早夭，所以由三弟奧斯卡二世繼位。

卡爾十五世的詩作于1863年和1865年出版，后來翻譯為法語、英語、匈牙利語、意大利語、荷蘭語、德語、丹麥語和挪威語。他鼓勵瑞典和挪威的藝術(shù)發(fā)展，除了加入了藝術(shù)學院外，自己也購入了很多藝術(shù)品。他的收藏包括400多名瑞典畫家的500多張畫作，死后捐為國有，大幅增加了國家博物館的斯堪的納維亞藝術(shù)品。他的畫作可見于國家博物館、議會大樓、藝術(shù)學院、哥德堡博物館、挪威國家美術(shù)館和瑞典各王宮。

卡爾十五世與荷蘭的露易莎結(jié)婚，共有一子一女：

露易絲（Louise，1851年10月31日－1926年3月20日），丹麥王后 卡爾·奧斯卡（Carl Oscar, hertig av Södermanland，1852年12月14日－1854年3月13日）南曼蘭公爵 雖然卡爾十五世的后裔未能繼承瑞典王位，但丹麥和挪威王位都由他的后裔持有。他的女兒露易絲公主嫁予丹麥國王弗雷德里克八世，誕下了卡爾王子和克里斯蒂安王子。1905年瑞典-挪威聯(lián)合解體后，卡爾王子登基為挪威國王哈康七世；克里斯蒂安王子于1912年繼承丹麥王位，是為克里斯蒂安十世�，F(xiàn)任挪威國王哈拉爾五世的父系和母系先祖都擁有卡爾十五世的血統(tǒng)。