早年
卡爾·古斯塔夫1622年生於尼雪平，當時他父母為逃避三十年戰爭戰火而回到瑞典。他的第二母語是德語，深受德意志傳統文化影響，對德意志地區形勢也深感興趣。瑞典國王古斯塔夫二世死後，他一家遷至王宮。他和表妹克里斯蒂娜女王一同在宮廷長大，因此受到極佳教育。他在烏普薩拉大學學習了幾個月，1638年至1640年到法國遊歷。
後來，他參與了1642年 布萊登菲爾德會戰和1645年揚科夫戰役，跟倫納特·托爾斯藤森學習兵法。1645年回到瑞典後，他經常進出宮廷，致力博取女王歡心，可是，由於女王抗拒婚姻，二人始終沒有結婚。為了對表哥作出補償，克里斯蒂娜女王於1648年任命卡爾·古斯塔夫為瑞典軍駐德意志大元帥。同年10月，他還未建立軍功，三十年戰爭就隨著《威斯伐倫和約》的簽訂而終結，但他獲任命為紐倫堡會議的全權大使，很快便從中學習了外交技巧。和會期間，女王不顧以阿克塞爾·奧克森謝納為首的樞密院反對，於1649年立卡爾·古斯塔夫為繼承人。克里斯蒂娜女王於1654年6月5日退位，卡爾·古斯塔夫繼承瑞典王位。
繼位初期
卡爾十世繼位之初，首要工作是協調國內不和把國家的軍隊收編到自己麾下。他與海德維希·伊麗歐諾拉結成政治聯姻，以鞏固與霍爾斯坦基爾-戈托普對抗丹麥的聯盟。1655年3月國會在斯德哥爾摩召開會議，提出了當前最緊急的兩個問題：戰爭，以及收復不受控制的國王領土。國王說服議員，對波蘭用兵是必須而且是有益的，但動兵所須開支問題則延至下次國會會議才討論。
攻打波蘭
1655年7月10日，卡爾十世率軍離開瑞典，攻打波蘭，當時他掌有50000名士兵、50艘軍艦。這場戰爭後來擴大為第二次北方戰爭（1655年－1660年）。7月1日，瑞典已經占領了波蘭屬利沃尼亞的迪納堡，波蘭軍隊沿著諾泰茨河布防。波茲南和卡利什兩個領地在7月25日投靠瑞典，受瑞典國王保護。此後，瑞典軍沒有遭遇抵抗就進入華沙，占領了整個大波蘭。波蘭國王約翰二世·卡齊米日出逃至西里西亞。
卡爾十世隨即往克拉科夫推進，包圍兩個月後拿下了該城。1655年11月18日，瑞典軍圍攻琴斯托霍瓦的修道院，但波蘭守軍頑抗70日，瑞典軍遭受重大損傷，只得撤退。波蘭軍的成功激發起波蘭人的勇氣，他們發表民族和宗教言論，把卡爾十世稱為無謀之輩，把他的士兵稱為野蠻人。他沒有召開波蘭國會取得合法性，又提出要把波蘭分裂；雖然他假裝友好，但這些行為卻使波蘭國內萌生民族情緒。
1656年初，約翰二世·卡齊米日國王返回波蘭重組軍隊。卡爾十世無法達成征服普魯士的重要戰略，感到威脅的布蘭登堡選侯弗里德雷克·威廉也要與瑞典為敵。他在1月17日威迫布蘭登堡成為他的同盟和附庸，但波蘭人的反抗使他不得不深入南方。接下來的幾個星期內，他遭到游擊隊追擊。到達雅羅斯瓦夫時，他原有的15000名士兵已喪失三分之二，戰況不容樂觀。同時，俄羅斯在利沃尼亞挑起戰爭，把瑞典第二大城市裡加包圍。
卡爾十世從雅羅斯瓦夫成功撤退至華沙，是他的傑出軍事成就之一。然而，1656年6月21日，波蘭軍隊收復華沙，卡爾只好以金錢向布蘭登堡求援。7月28至30日，共18,000人的瑞典和布蘭登堡聯軍，在華沙戰役中擊敗約翰二世的40,000大軍，重占波蘭首都，但卡爾並沒有從這場交戰得到預期利益。雖然後來布蘭登堡選侯要求瑞典國王跟波蘭談判，但波蘭人拒絕條約，戰爭再度爆發。卡爾和弗里德雷克·威廉於11月20日簽訂《拉比奧條約》，承認弗里德雷克·威廉世代擁有東普魯士的主權。
攻打丹麥
《拉比奧條約》改變了卡爾的波羅的海戰略，布蘭登堡也已經成為重要盟友。他在波蘭陷入苦戰時，丹麥趁機向他宣戰。卡爾仿效托爾斯滕松，以迅雷不及掩耳之勢從南方攻打丹麥。1657年6月底，他從布倫堡以南的波美拉尼亞進攻，7月18日抵達丹麥邊境霍爾斯坦。丹麥軍隊潰散，瑞典得到不萊梅公國。他在秋季初往日德蘭推進，在當地建立穩固的陣地。8月中至10月中，瑞典陸軍在海灣被弗里德雷克索德的城堡阻擋，艦隊也被丹麥艦隊驅逐，只好放棄攻打島嶼。
橫渡大貝爾特海峽早在7月，丹麥和波蘭-立陶宛締結進攻和防衛同盟，不久，連布蘭登堡也加入反瑞典同盟，威脅卡爾要接受奧利弗·克倫威爾、馬扎然和Coenraad van Beuningen的調解。瑞典拒絕談判。10月23日，瑞典拿下了弗里德雷克索德後，卡爾馬上以運輸軍艦把軍隊調動到菲英島。但瑞典很快便發現了更便利的方案。12月中，氣溫開始急降，幾星期後，流水湍急的小貝爾特海峽的海水全部結冰。
橫渡貝爾特海峽
瑞典的領土於1658年達到巔峰1658年1月28日，卡爾十世抵達日德蘭半島南部的哈澤斯萊烏。軍中的氣象學家推測，冰層在幾日內就會厚得足以讓整支軍隊在上面通過。29日晚是最寒冷的一夜；30日早上，卡爾下令渡海。騎兵在冰層較薄處下馬，小心牽著馬匹走，經過薄冰後騎回馬匹，向著岸上賓士。瑞典軍隊很快便擊敗了沿海岸駐守的丹麥軍隊，只損失了兩連騎兵就控制了整個菲英島。渡過小貝爾特海峽後，卡爾十世決意要橫渡大貝爾特海峽，拿下哥本哈根。但軍中工程師埃里克·達爾貝里提議放棄從尼堡往科索爾的直接路線，反而應該從斯文德堡出發，取道朗格蘭島、洛蘭島、法爾斯特島。國王採納了這個危險建議。2月5日晚上，大軍出發，下午3時就不損一兵一卒，到達了洛蘭島的格里姆斯蒂德。2月8日，瑞典軍到達法爾斯特島，11日踏上西蘭島。丹麥政府大驚，急忙求和，在2月18日和26日分別跟瑞典簽訂《塔斯特盧普條約》和《羅斯基勒條約》，割讓斯科訥、布萊金厄、哈蘭、博恩霍爾姆、特倫德拉格和布胡斯。
然而，卡爾背約，7月7日再度攻打丹麥。7月17日，他再度率兵登上西蘭島，圍困哥本哈根。但弗里德雷克三世領導守軍頑抗，荷蘭也派出艦隊增援，10月29日厄勒海峽之戰中擊敗瑞典艦隊，解了丹麥首都之困。奧地利、波蘭和布蘭登堡趁機占領了普魯士和波美拉尼亞的瑞典占領區，進迫日德蘭半島。1659年，瑞典占領的丹麥島嶼由荷蘭艦隊解放。荷蘭之所以參戰，是因為他們需要波羅的海貿易，不能坐視厄勒海峽落入瑞典手中。這次失敗，使瑞典於1660年《哥本哈根條約》中，把博恩霍爾姆歸還丹麥，把特倫德拉格歸還挪威。
哥德堡會議
北歐博物館前的卡爾十世雕像卡爾十世答應跟丹麥談判，但為了向丹麥施壓，他同時向挪威發動進攻。這時，為了向貧困的國民再次支取財政援助，他必須在1659年12月返回瑞典哥德堡，會見國會成員。非貴族階級反對再度向他們榨取金錢，但卡爾說服了他們。
召開會議後，卡爾十世·古斯塔夫患上流感，後來演變成肺炎。他於1660年2月13日凌晨死於哥德堡，終年37歲。
子女
卡爾十世·古斯塔夫和海德維希·伊麗歐諾拉王后只誕一個兒子，就是他的繼承人卡爾十一世國王。
他還有一些私生子女，包括古斯塔夫·卡爾松。
