Narodil sa do učiteľskej rodiny, mal troch starších bratov - Ľudovíta, Samuela, Jána a sestru Karolínu.
Vyrastal v Uhrovci, kde navštevoval u svojho otca - učiteľa Ľudovú školu. V rokoch 1823-1825 študoval na gymnáziu v Györi, v rokoch 1825-1827 v Šoproni.
V rokoch 1827-1833 študoval na evanjelickom a.v. lýceu v Bratislave, kde spolu so svojimi spolužiakmi založil Spoločnosť československú.
Ďalšie štúdium absolvoval na univerzite v Berlíne.
2. júna 1839 sa presťahoval do Modry, kde ho zvolili za profesora a rektora nižšieho gymnázia. Popri práci v gymnáziu sa venoval najmä mládeži, ktorú sa usiloval vychovávať v národnom duchu.
Založil študentské združenie Ústav slovenský, kde študentov viedol k láske k národu, k vzdelávaniu v spisovnom jazyku a k vzájomnej národnej tolerancii.
Na gymnázium do Modry prestúpilo aj niekoľko študentov, ktorí odišli z Bratislavy na protest proti odvolaniu Ľudovíta Štúra z katedry.
Roku 1844 spolu so svojimi žiakmi založili knižnicu, do ktorej knihy pre nedostatočné finančné možnosti dostávali darom od spisovateľov - národovcov, ktorých žiadali listinami.
Napokon sa v Modre podarilo vybudovať knižnicu s počtom 344 zväzkov, z ktorých časť sa zachovala a v súčasnosti tvorí súčasť Literárnohistorickej knižnice Múzea Ľudovíta Štúra v Modre.
Žiakmi Karola Štúra boli napríklad Viliam Paulíny-Tóth, Dionýz Štúr, Viliam Šulek, Janko Štúr či Ľudovít Dohnány.
Na učiteľských poradách vystupoval proti maďarizácii, v čom pokračoval aj počas svojho pôsobenia v evanjelickej cirkvi na zasadaní konventov.
Miesto profesora, rektora a prednostu Ústavu opustil v decembri 1846, keď ho zvolili za evanjelického farára v Modre. Jeho nástupcom na gymnáziu sa stal Ján Kalinčiak.
V roku 1847 vedenie Tatrína vymenovalo Karola Štúra za predsedu výboru pre vypracovanie slovenských učebníc. Po revolúcii bol slovenským dôverníkom pri mestskej rade v Modre.
Ako publicista uverejňoval ľudovýchovné články v slovenských periodikách a prispieval aj do nemeckej tlače.
Vydal básnickú zbierku Ozvena Tatry.
Básne začal písať už ako študent a vychádzal zo svojej záľuby v antických vzoroch. Básne písal po česky.
Napísal žalospev na smrť profesora Zsigmondyho a žalospev na pamiatku smrti Karla Hynka Máchu.
Napísal aj niekoľko prozaických útvarov s ľudovýchovným zameraním. Svoje diela publikoval v almanachu Plody a v časopisoch.
Venoval sa aj prekladom z gréčtiny, prekladal najmä Platóna a Aristotela.
Jeho pseudonymy boli Drahotín spod Rokoše, Drahotín Štúr.
Krátko po príchode do Modry sa Karol Štúr oženil s modranskou meštiankou Rosinou Emreszovou, mali spolu sedem detí.
Pochovaný je vedľa svojho brata Ľudovíta Štúra.
