Ένας από τους λαμπρότερους μαθηματικούς, έχει ουσιαστικά εμπλουτίσει και επηρεάσει αποφασιστικά την επιστήμη.
Γιος του διπλωμάτη Στέφανου Καραθεοδωρή και της Δέσποινας Πετροκόκκινου, γεννιέται στο Βερολίνο στις 13 Σεπτεμβρίου 1873, όπου ο πατέρας του είναι πρεσβευτής της τότε Οθωμανικής Αυτοκρατορίας.
Σε μικρή ηλικία χάνει τη μητέρα του και την ανατροφή του ίδιου, όπως και της αδελφής του Ιουλίας, αναλαμβάνει η γιαγιά του. Μεγαλώνει σε ένα ευρωπαϊκό, επιστημονικό και αριστοκρατικό περιβάλλον, με ζωντανά τα στοιχεία της ελληνορθόδοξης οικογενειακής καταγωγής. Μιλάει πολύ καλά ελληνικά, γαλλικά, γερμανικά και τουρκικά.
Φοιτά στη Σχολή της Ριβιέρας και του Σαν Ρέμο. Στο γυμνάσιο των Βρυξελλών, από όπου αποφοιτά, νιώθει στο μάθημα της γεωμετρίας ότι η σχέση του με τα μαθηματικά θα είναι δια βίου.
Ένας διαγωνισμός μαθηματικών, στον οποίο καλείται η τάξη του να διαγωνιστεί επί δύο κατά σειρά χρόνια, αποδεικνύει τις μαθηματικές του ικανότητες. Αναδεικνύεται πρώτος και τις δύο χρονιές. Όνειρό του, η ενασχόληση με τα μαθηματικά. Ο πατέρας του θεωρεί τη μαθηματική επιστήμη «επάγγελμα χωρίς μέλλον». Δεν τον αφήνει να σπουδάσει το αγαπημένο του θέμα και ο Κωνσταντίνος, ακολουθώντας την πατρική προτροπή, σπουδάζει στη Στρατιωτική Σχολή του Βελγίου, από την οποία αποφοιτά ως αξιωματικός του Μηχανικού.
Τα μαθηματικά αποτελoύν όμως τη μεγάλη του αγάπη. Συνεχίζει να συμμετέχει σε διαγωνισμούς μαθηματικών, στους οποίους και διαπρέπει. Το 1898 πηγαίνει στην Αίγυπτο, όπου παραμένει για δυο χρόνια και εργάζεται ως μηχανικός στο φράγμα του Ασουάν. Οι μαθηματικές αναζητήσεις αποδεικνύονται πολύ γοητευτικές για τον νεαρό Κωνσταντίνο Καραθεοδωρή, ο οποίος τον Ιούνιο του 1900, εγκαταλείπει την Αίγυπτο, τα φράγματα, το επάγγελμα του μηχανικού, για τη μεγάλη του αγάπη: τα μαθηματικά.
Κάθεται ξανά στα θρανία της μαθηματικής σχολής των Πανεπιστημίων του Βερολίνου και του Γκέτιγκεν, όπου αναδεικνύεται διδάκτορας το 1908. Η διδακτορική του διατριβή «Περί των ασυνεχών λύσεων στο λογισμό των μεταβολών» είναι η πρώτη μελέτη η οποία ασχολείται συστηματικά με τη θεωρία των σποραδικών λύσεων, καθώς μέχρι τη στιγμή αυτή υπάρχουν μόνο περιορισμένα συμπεράσματα. Η μετέπειτα έρευνά του στον κλάδο αυτό αποφέρει σημαντικά αποτελέσματα σε σειρά άλλων τομέων. Την ίδια χρονιά, το 1908, παντρεύεται στην Κωνσταντινούπολη την Ευφροσύνη, το γένος Καραθεοδωρή, μακρινή συγγενή του. Από τον γάμο αυτόν αποκτά δύο παιδιά, τη Δέσποινα και τον Στέφανο.
Η ακαδημαϊκή του καριέρα περιλαμβάνει έδρες διδασκαλίας μαθηματικών στα γερμανικά πανεπιστήμια της Βόννης, του Ανοβέρου, του Μπρεσλάου, του Γκέτιγκεν, του Βερολίνου και του Μονάχου. Αναδεικνύεται έτσι σε κορυφαίο μαθηματικό παγκόσμιου επιπέδου.
Το 1920, αναλαμβάνει κατ΄ εντολή του Ελευθέριου Βενιζέλου να οργανώσει το υπό ίδρυση Πανεπιστήμιο της Ιωνίας στη Σμύρνη, των Αθηνών και της Θεσσαλονίκης. Κατορθώνει να διασώσει τη βιβλιοθήκη του Πανεπιστημίου της Σμύρνης και μετά τη Μικρασιατική Καταστροφή το 1922, μεταφέροντας τους τόμους της στο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Το διάστημα 1922-1924 είναι καθηγητής μαθηματικών και μηχανικής στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Το 1924, εγκαθίσταται οριστικά στο Μόναχο. Το 1928, ανταποκρινόμενος σε πρόσκληση από το Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ και την Αμερικανική Μαθηματική Εταιρεία, επισκέπτεται τις ΗΠΑ μαζί με την γυναίκα του για έναν σχεδόν χρόνο, για να δώσει διαλέξεις σε διάφορα αμερικανικά πανεπιστήμια, ανάμεσά στα οποία το Πανεπιστήμιο Πρίστον, το Πανεπιστήμιο της Πενσιλβανία, το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν και άλλα. Επιστρέφει στην Ελλάδα το 1930, προκειμένου να συμβάλει στην αναδιοργάνωση των Πανεπιστημίων Αθηνών και Θεσσαλονίκης.
Πολύπλευρος και παραγωγικός μαθηματικός πια, ο Κ. Καραθεοδωρή βάζει τη σφραγίδα της επιτυχίας στα θέματα με τα οποία ασχολείται, τα οποία όμως λατρεύει. Πρέπει να σημειωθεί η στενή επιστημονική συνεργασία και αλληλοεκτίμηση μεταξύ του Κωνσταντίνου Καραθεοδωρή και του Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν τον θεωρεί δάσκαλό του. Δεν έχει σημασία ότι ο Καραθεοδωρή δεν είναι τόσο γνωστός στο ευρύ κοινό όσο ο Αϊνστάιν.
Εκτός από το πλήθος των πρωτότυπων επιστημονικών εργασιών που δημοσιεύει, πλουτίζει τη διεθνή μαθηματική βιβλιογραφία με σειρά συγγραμμάτων. Τα συγγράμματά του αποτελούν, από την εποχή του μέχρι τώρα, πηγή πληροφόρησης για τους μαθηματικούς. Πολλές εργασίες του δημοσιεύονται λίγο μετά τον θάνατό του. Το διάστημα 1954-1957, η Βαυαρική Ακαδημία Επιστημών εκδίδει σε πέντε τόμους όλα τα συγγράμματά του. Το επιστημονικό έργο του επεκτείνεται σε πολλούς τομείς και της φυσικής ή της αρχαιολογίας. Οι αρχαιολογικές του μελέτες αναφέρονται σε κατασκευές της Αρχαίας Ελλάδας και της Αρχαίας Αιγύπτου, ειδικότερα σε ναούς, πυραμίδες ή αρδευτικά έργα.
Έγραψε 232 περίπου εργασίες, από τις οποίες δημοσιεύθηκαν οι 165. Όλες σχεδόν οι εργασίες του, όμως, αποτελούν θεμελιώδεις έρευνες εξαιρετικής έμπνευσης που τον αναδεικνύουν ως έναν από τους λίγους στην παγκόσμια επιστήμη. Από το 1927, είναι μέλος της Ακαδημίας Αθηνών, ενώ στη συνέχεια ανακηρύσσεται μέλος των Ακαδημιών του Βερολίνου, του Γκέτινμπενγκ, του Μονάχου, της Μπολόνια και των Λιγκών της Ρώμης.
Ο Κ. Καραθεοδωρή διατηρούσε τακτική αλληλογραφία με τον μαθητή του, Α. Αϊνστάιν. Την ύπαρξη της αλληλογραφίας αυτής, η κόρη του ανακάλυψε μετά τον θάνατο του πατέρα της. Ο Κωνσταντίνος Καραθεοδωρή, πέθανε στις 2 Φεβρουαρίου 1950.