Carl-August, wurde als ältester Sohn Herzog Ernst-August II. Konstatin von Sachsen-Weimar-Eisenach und dessen Ehefrau Anna Amalia, eine geborene Prinzessin aus dem Hause Braunschweig-Wolfenbüttel, am 03.09.1757 geboren.

Der Vater starb bereits im Jahr nach der Geburt und die Vormundschaft des Erbprinzen oblag bis zur Volljährigkeit bei seiner Mutter. Die kunstsinnige und kluge Herzogin Anna Amalia betraute unter anderem den Dichter Christoph Martin Wieland, den sie von der Erfurter Universität nach Weimar holte, mit der Erziehung des jungen Erbprinzen.

Carl August unternahm mit 17 Jahren die in der damaligen Zeit übliche Bildungsreise unter Aufsicht des Grafen Görtz nach Paris und Frankreich. Auf der Rückreise besuchte er den Hof in Darmstadt, wo er sich sogleich mit der Prinzessin Luise von Hessen-Darmstadt (1757-1830) verlobte.

Ein weiterer Zwischenstopp führte den Erbprinzen nach Frankfurt, wo er Johann Wolfgang von Goethe traf. Er lud Goethe nach Weimar ein und dieser sollte dem Rufe des Herzogs folgen.

Im folgenden Jahr 1775 wurde er durch den Kaiser für volljährig erklärt und heiratete am 03.10.1775 Prinzessin Luise. Im Februar 1783 wurde der Thronfolger Carl Friedrich geboren.

Kurz nach der Hochzeit traf Goethe in Weimar ein, eine tiefe innige Freundschaft, wobei der Dichter seine Lebenserfahrung ganz dem Herzog widmete. Unabhängig ob als lebenslustiger Begleiter und Gefährte oder als verantwortungsbewusster Berater des Regenten. Der Herzog übertrug Goethe hohe Regierungsämter in seinem Herzogtum.

Doch dem Herzog genügte die Verwaltung seines kleinen Herzogtums nicht und er stieg in die Reichspolitik ein. Der Versuch den so genannten Fürstenbund als Gegengewicht zu Österreich und Preußen im Reich zu etablieren scheiterte. Er trat im Jahre 1786 in die preußische Armee ein und erhielt im folgenden Jahr den Rang eines Generalmajors verliehen. Er nahm im gleichen Jahr am Feldzug gegen die Vereinigten Republiken der Niederlande teil.

Während der Koalitionskriege, die im April 1792 mit der Kriegserklärung Frankreichs begannen, stand der Herzog erneut in preußischen Diensten. Zwischen Juni 1792 und Dezember 1793 focht er in Frankreich und Süddeutschland gegen die französischen Revolutionstruppen. Sein Freund und Berater Goethe begleitete ihn auf diesem Feldzug und hielt diese Zeit auch schriftstellerisch fest. Ab dem Jahre 1794 führte Generalleutnant Carl August das Kürasier Regiment Nr. 6.

Als sich im Jahre 1806 das Heilige Römische Reich Deutscher Nation durch die Gründung des Rheinbundes auflöste und Kaiser Franz II. die Kaiserkrone niederlegte, schloss sich Sachsen-Weimar-Eisenach nicht den neuen Bund, der unter der Protektion des französischen Kaisers Napoléons stand, an.

Am preußischen Feldzug von 1806 gegen Napoléon nahm der Herzog auf Seiten Preußens teil, Nach der preußischen Niederlage bei Jena und Auerstedt wurde sein Land durch französische Truppen besetzt. Um sein Herzogtum zu retten verließ er den preußischen Militärdienst. Gleichzeitig unterzeichnete er – jedoch sehr widerwillig - am 15.12.1806 die Rheinbundakte. In den folgenden Jahren kämpften sächsisch-weimarische Truppen nun an der Seite der Grande Armeé in ganz Europa.

Nach der Niederlage Napoléons wurde auf Grund des Einflusses des Zaren - 1804 heiratete Erbprinz Carl Friedrich die russische Großfürsten Maria Pawlowna, die Schwester des Zaren Alexander von Russland - der Herzog in den Rang eines Großherzogtums erhoben. Durch die Schlussakte des Wiener Kongresses erhielt sein Großherzogtum noch beträchtliche Gebietszuwächse.

Herzog Carl August regierte nach den Grundsätzen eines aufgeklärten Monarchen, verfügte aber auch stets über ein sicheres Gespür für die gesellschaftlichen Strömungen seiner Zeit. So verhinderte er 1815 nicht die Gründung der Jenaer Urburschenschaft. Im folgenden Jahre erließ er eine landesständische Verfassung, zu deren wichtigsten Punkten die Pressefreiheit und das Recht der freien Meinungsäußerung gehörten. Damit hat Sachsen-Weimar-Eisenach als erster deutscher Staat eine eigene Verfassung. Er verbot im Oktober 1817 nicht das Wartburgfest - obwohl er politische Bedenken hatte - wurde jedoch durch die Karlsbader Beschlüsse von 1819 zu vorsichtigeren Handeln gezwungen.

Der Großherzog hielt stets an der traditionellen Bindung zu Preußen und Russland fest, diese Tradition wurde auch von seinem Sohn fortgesetzt. So heiratete seine Enkelin Prinzessin Augusta (1811-1890) den preußischen Prinzen Wilhelm, der später preußischer König und Kaiser des Deutschen Reiches  wurde.

Carl August wurde auf den Spuren seiner Mutter Anna Amalia und seines Freundes Goethe zum Schutzherrn der Weimarer Klassik. Zunächst kam Wieland, dann folgte Goethe, Herder oder Schiller. Allen versuchte der Herzog auf großzüger Weise den Lebens- und Schaffensraum zu widmen, den sie brauchten. Aber auch Jena wurde unter ihm zu einem zweiten Zentrum der damaligen Kultur, sammelten sich dort Fichte, Hegel und Schelling. Goethe schrieb einmal dazu

Weimar - Jena eine große Stadt, die an beiden Enden sehr viel Gutes hat.

Großherzog Carl-August von Sachsen-Weimar-Eisenach verstarb am 14.06.1828 auf der Rückreise von Berlin - wo er sein erstes Enkelkind feierte - auf Schloss Garditz/Torgau.