Carlos Sainz Vázquez de Castro werd op 1 september 1994 in Madrid, Spanje geboren als zoon van Carlos Sainz Cenamor en Reyes Vázquez de Castro. Carlos Sainz heeft twee zussen. De liefde voor autosport heeft Sainz niet van een vreemde. Carlos Sainz senior is een Spaans rallyrijder en tweevoudig wereldkampioen in de rallysport. Deze titels wist hij in 1990 en 1992 met Toyota op zijn naam te schrijven.
Carlos Sainz Jr. begon zijn kart-carrière in 2006 bij de mini's en de cadetten. Hij behaalde een derde plaats in de 36e editie van de Torneo Industrie en werd tweede in de Copa Campeones Trophy. In 2008 won hij voor Vortex het CIK-FIA Asia-Pacific kampioenschap in de KF3. In 2009 won hij de dertiende editie van het CIK FIA KF3 Monaco Kart Cup.
In 2010 maakte hij de overstap naar de eenzitters. Gedurende zijn debuutjaar reed Sainz in diverse Formule BMW klassen. Hij behaalde meerdere overwinningen en werd uiteindelijk vierde in het Formule BMW Europa-kampioenschap. In 2011 pakte hij de titel in het Formula Renault 2.0 NEC kampioenschap voro Koiranen Motorsport. Met zeventien podiums, inclusief tien overwinningen, bleef hij Daniil Kvyat, Stoffel Vandoorne en Robin Frijns voor. Hij eindigde in 2012 als vijfde in het Europese Formule 3-kampioenschap met zes podiums.
In 2013 werd hij aangesteld door Red Bull als testrijder van Toro Rosso en Red Bull Racing. In datzelfde jaar reed hij GP3 en Formule Renault 3.5. Het bleek een weinig succesvol jaar te zijn. In 2014 pakte hij de titel in het Formule Renault 3.5 kampioenschap door Pierre Gasly voor te blijven. Met zeven overwinningen en zeven pole positions werd hij kampioen.
In 2015 maakte hij zijn debuut in de Formule 1. Na het wegvallen van Jean Eric Vergne en het doorschuiven van Daniil Kvyat naar Red Bull Racing werd Carlos Sainz de teamgenoot van Max Verstappen. In zijn eerste jaar behaalde hij op het Circuits of the Americas een zesde plaats. In 2016 ontwikkelde Sainz zich als regelmatige puntenpakker en scoorde hij 46 punten. Halverwege het seizoen 2017 stapte hij over naar Renault. Voor de Franse renstal scoorde hij in Baku 2018 zijn beste resultaat. Voor Toro Rosso werd hij in 2017 tijdens de regenrace van Singapore vierde. Voor 2019 nam hij het stoeltje van Fernando Alonso over bij McLaren.
Vanaf 2021 is Sainz bij Scuderia Ferrari te vinden, waar hij de stoel van Sebastian Vettel heeft overgenomen. Dat werd bekendgemaakt op 14 mei 2020.
Bij Ferrari startte hij op 3 juli 2022 zijn honderdvijftigste race, de Grand Prix van Groot-Brittannië. Zijn overwinning zorgde echter voor gemixte reacties bij het team van Ferrari, omdat hij orders kreeg om Hamilton bij teamgenoot Leclerc weg te houden. Zo zou Leclerc de race kunnen winnen, maar Sainz luisterde niet en ging er zelf met de winst vandoor.
In 2023 komt Sainz opnieuw uit voor de Scuderia en rijdt weer naast Charles Leclerc.