早年
卡尔于1826年在斯德哥尔摩王宫出生，即获封为斯科讷公爵。他曾受教於哲学家克里斯托法·雅各布·博斯特伦和历史学家弗雷德里克·费尔德南德·卡尔松，1843年和1845年入读乌普萨拉大学，1844年春在奥斯陆求学。他喜欢艺术，艺术学院教授隆德奎斯特和水彩画家约翰·克里斯蒂安·贝尔耶都是他的艺术老师。他在1856年获任命为挪威副王，在挪威期间常常在郊外写生。
1850年代时，斯堪的纳维亚各国关系十分良好，瑞典和挪威的卡尔王储和丹麦国王弗雷德里克七世自1846年在哥本哈根会面后，一直都是好朋友。卡尔希望推动各国在政治上的合作。1857年夏，奥斯卡一世患上重病，瑞典和挪威议会通过由卡尔王储摄政。
国王奥斯卡一世在1857年9月25日病逝，卡尔继位为瑞典及挪威国王。他在位期间，瑞典和挪威的关系转趋恶化。
他热心于泛斯堪的纳维亚主义，但未能如愿。他在1863年7月和弗雷德里克七世在斯库德斯堡会谈后，答应丹麦首相卡尔·克里斯蒂安·霍尔，瑞典会协助丹麦防卫石勒苏益格。然而，两国正式协商前，卡尔便因国内政治形势而被迫放弃支援丹麦。
他的北欧政策未能成功，但国内法治则见强化。正如他的格言“国家以法律建成（Land skall med lag byggas）”[1]，他进行了瑞典的法律改革，社区法（1862年）、教会法（1863年）和刑罚法（1864年）都沿用至今。他也进行了以路易斯·德·吉尔为首的议会改革，1866年废除了四院制，建立了现时的瑞典议会。1876年，他任命路易斯·德·吉尔为瑞典第一任首相。
他也推动基础建设和工业化，下令建造了瑞典最大的铁路。1868年11月，瑞典、挪威和日本签订“友谊、贸易和航海条约”。根据《横滨条约》，日本开放函馆、横滨、长崎、神户和大坂给瑞典商旅经商，瑞典-挪威可往这些商埠派驻外交人员，而且瑞典人和挪威人享有领事裁判权。
他在1872年9月18日死于马尔默。由于他的儿子早夭，所以由三弟奥斯卡二世继位。
个人卡尔十五世的诗作于1863年和1865年出版，后来翻译为法语、英语、匈牙利语、意大利语、荷兰语、德语、丹麦语和挪威语。他鼓励瑞典和挪威的艺术发展，除了加入了艺术学院外，自己也购入了很多艺术品。他的收藏包括400多名瑞典画家的500多张画作，死后捐为国有，大幅增加了国家博物馆的斯堪的纳维亚艺术品。他的画作可见于国家博物馆、议会大楼、艺术学院、哥德堡博物馆、挪威国家美术馆和瑞典各王宫。
后裔卡尔十五世与荷兰的露易莎结婚，共有一子一女：
露易丝（Louise，1851年10月31日－1926年3月20日），丹麦王后 卡尔·奥斯卡（Carl Oscar, hertig av Södermanland，1852年12月14日－1854年3月13日）南曼兰公爵 虽然卡尔十五世的后裔未能继承瑞典王位，但丹麦和挪威王位都由他的后裔持有。他的女儿露易丝公主嫁予丹麦国王弗雷德里克八世，诞下了卡尔王子和克里斯蒂安王子。1905年瑞典-挪威联合解体后，卡尔王子登基为挪威国王哈康七世；克里斯蒂安王子于1912年继承丹麦王位，是为克里斯蒂安十世。现任挪威国王哈拉尔五世的父系和母系先祖都拥有卡尔十五世的血统。
