Od dziecka interesował się przyrodą, obserwował i badał rośliny. Przejął to zainteresowanie od ojca pastora, który był zamiłowanym ogrodnikiem. Nie zamierzał jednak, jak ojciec, robić kariery duchownej i w 1727 roku podjął studia medyczne na uniwersytecie w Lund, by po roku przenieść się do uznawanej wówczas za najlepszą w Szwecji uczelni w Uppsali. Cały czas przy tym zajmował się swoim hobby – botaniką. Dzięki pomocy profesora historii naturalnej (jak wówczas nazywano biologię) Olofa Rudbecka Karol otrzymał funkcję ogrodnika w uczelnianym ogrodzie botanicznym. Botanika wchodziła wówczas w zakres kształcenia lekarzy, którzy wykorzystywali zioła w leczeniu. Bardzo pogłębił swoją wiedzę botaniczną również w czasie samotnej wyprawy w 1732 r. po Laponii, w czasie której przebył ponad 7 tys. km i opisał wiele nowych gatunków roślin. Owocem tej wyprawy było szczegółowe sprawozdanie obejmujące również szczegóły życia mieszkańców i obserwacje medyczne. Dzisiaj zabawne może się wydawać, że z powagą opisuje przypadek kobiety, która twierdziła, że ma w brzuchu 3 żaby, które na wiosnę wyraźnie rechocą. Nie zastosowała się jednak do zaleconej przez Linneusza kuracji – wypicia ciekłego dziegciu, lecz wolała kurować się wódką, która, jak twierdziła, uspokajała żaby.

Po powrocie z wyprawy przez jakiś czas dorabiał wykładami, na których relacjonował swoje obserwacje z Laponii, także na temat minerałów, którymi również się interesował. Dochody z tych wykładów wystarczyły mu na sfinansowanie drugiej wyprawy, na którą wybrał się w dwa lata po pierwszej. W czasie drugiej wyprawy zakochał się w Sarze, córce lekarza z Falun i poprosił o jej rękę. Jednak przyszły teść postawił twardy warunek – musi najpierw ukończyć studia medyczne, by mieć stałe źródło utrzymania. Wyjechał więc na studia do Holandii, napisał rozprawę o malarii i uzyskał tytuł doktora na uniwersytecie w Harderwijk. Jego powrót do Szwecji opóźnił się, gdyż w Holandii udało mu się zaprzyjaźnić z kilkoma bogatymi ludźmi, którzy sfinansowali wydanie jego życiowego dzieła „Systema naturae”. Później dzieło to było jeszcze przez niego rozbudowywane, tak że ostatecznie w 1770 r. liczyło ponad 6000 stron w trzech tomach. Potem zwiedził jeszcze Paryż, Londyn, pracował w kilku ogrodach botanicznych w Holandii i wydał tam kilka mniejszych prac naukowych. Wreszcie w 1738 wrócił do Szwecji, już jako znany naukowiec, i ożenił się z Sarą Moraeus. Otworzył praktykę medyczną w Sztokholmie, a w 1742 r. został profesorem na Uniwersytecie w Uppsali. Doceniono jego osiągnięcia, został pierwszym prezesem powstającej właśnie Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk (brał aktywny udział w jej powstaniu), zaszczycono go tytułem szlacheckim, funkcją lekarza dworu królewskiego oraz członkostwem zagranicznym wielu uczelni.

Dom Karola Linneusza znajduje się w Råshult; odrestaurowany z otoczeniem w stylu epoki Linneusza, mieści sprzęty zgromadzone przez badacza. Zachowany jest XVIII-wieczny ogród kwiatowy z rosnącymi tam jak dawniej gatunkami ziół. Karol Linneusz nie znosił krytyki i miał szczególny sposób dokuczenia swoim przeciwnikom naukowym. Np. pewnemu niepozornemu gatunkowi chwastu nadał nazwę łacińską Siegesbeckia – od nazwiska Johanna Siegesbecka, który ośmielił się mieć inne zdanie niż on. Z kolei informacja, że Georges’a Buffona jakoby ukarał nadając jego nazwisko ropusze (łac. Bufo) i całej rodzinie ropuchowatych (Bufonidae), uznawanych wówczas za obrzydliwe gatunki płazów[1] jest nieprawdziwa, gdyż słowo bufo było znane już w łacinie klasycznej, gdzie również oznaczało ropuchę[2].

Ze swoją żoną Sarą miał siedmioro dzieci: dwóch synów (Carl i Johannes) i pięć córek (Elisabeth Christina, Sara Magdalena, Lovisa, Sara Christina oraz Sophia). Do kościoła chodził ze swoim ulubionym psem Pompe. Dokładnie po jednej godzinie wstawał i wychodził z kościoła i to niezależnie od tego, czy nabożeństwo się skończyło, czy jeszcze trwało. W 1774 atak apopleksji uniemożliwił mu pracę na uczelni. Od tego momentu stan jego zdrowia się pogarszał, przeżył jeszcze zawał serca i zmarł w 1778 roku.