Родился 20.06.1634. Третий сын герцога Савойи Виктора Амадея I и его супруги, Кристины-Марии (1606-1663). По материнской линии он был внуком французского короля Генриха IV и его второй супруги, Марии Медичи. В 1638 он унаследовал трон Савойи после смерти своего старшего брата Франческо Гиацинта (1632-1638).

Так как Карл Эммануил весьма мало интересовался вопросами управления государством и проводил всё своё время в развлечениях, фактической правительницей Савойи являлась его мать, занимавшаяся всеми вопросами её внешней и внутренней политики. В этот период в 1655 в Савойе произошло массовое преследование и истребление членов протестантской общины вальденсов.

Лишь после смерти матери в 1663 Карл Эммануил принимает на себя управление страной. В своей политике он выступал против возрастающего могущества своего соседа — Франции.

В 1672-1673 он вёл неудачную для Савойи войну с Генуэзской республикой с тем, чтобы получить выход в Лигурии к побережью Средиземного моря.

Внутренняя политика Карла Эммануила была более успешной — по его указанию была расширена морская гавань Ниццы, возросла внешняя торговля герцогства, улучшилось состояние его финансов. Он создал в Савойе постоянную армию, отказавшись от услуг наёмных войск, как это практиковалось в герцогстве ранее. По приказу Карла Эммануила через альпийские перевалы была проложена дорога из Верхней Италии во Францию.

Умер Карл Эммануил 12.06.1675.

В первом браке Карл Эммануил был женат на Франсуазе Орлеанской, во втором — на Марии-Джованне-Батисте Савойя-Немурской. Виктор Амадей (1666-1732), родившийся во втором браке, стал впоследствии королём Сардинского королевства.