Carl Philipp Stamitz wurde als ältester Sohn des Komponisten Johann Wenzel Stamitz geboren. Der Vater war ein Virtuose auf der Violine, der Bratsche und der Viola d'amore und erteilte seinem Sohn ersten Unterricht in Geige und Cello. Nach dem frühen Tode des Vaters im Jahre 1757 übernahmen Christian Cannabich, Ignaz Holzbauer und Franz Xaver Richter den Unterricht von Carl Philipp. Von 1762 bis 1770 war er 2. Violinist in der berühmten Mannheimer Hofkapelle. In dieser Position lernte er das gesamte Mannheimer Repertoire kennen. Ab dem Jahre 1770 zog er nach Paris und wurde Hofkomponist des Herzogs Louis de Noailles, wo er den Komponisten François-Joseph Gossec kennen lernte. Ab 1772 wohnte er in Versailles und komponierte seine erste Programmsinfonie La promenade royale. Im Jahre 1779 zog er nach Den Haag, wo er am Hofe von Wilhelm V. von Oranien 28 Konzerte gab. Bei einem dieser Konzerte saß der 12-jährige Ludwig van Beethoven am Fortepiano.
In den folgenden Jahren machte er zahlreiche Reisen, die ihn nach Straßburg, London, Sankt Petersburg, Augsburg, Nürnberg, Kassel, Lübeck, Magdeburg und Jena führten. 1786 wurde in der Berliner Kathedrale unter seiner Leitung Händels Messias aufgeführt. Im Frühjahr 1787 hielt sich Stamitz in Dresden auf. Das Magazin der sächsischen Geschichte 1787 schrieb hierüber:
"Bey dieser Gelegenheit merk ich mit an, daß der berühmte Braccist Stamitz schon seit einem Monate in Dresden sich aufhält, öffentlich zwar nicht hören läßt, aber doch bey Herz. Karl K. H. Marcolini gespielt und am 13ten April bey Graf v. Knuht für die Noblesse ein Concert gegeben und dann seine Station in Kön. Preuß. Diensten antreten wird. Für seine Person spielt er zwar nur Bratsche und Viola d'Amour, setzt aber, wie bekannt, fast für alle Instrumente mit außerordentlicher Schönheit."
Im Jahre 1791 heiratete Stamitz Maria Josepha Pilz, mit der er vier Kinder hatte. Alle Kinder starben jedoch bereits im Kindesalter.
Ab 1794 leitete er die akademischen Konzerte in Jena. Im Januar 1801 starb seine Frau und Stamitz selbst folgte ihr, kurz vor einer geplanten Reise nach St. Petersburg, am 9. November desselben Jahres. Nach seinem Tode wurde nahezu sein gesamter Besitz zur Deckung seiner Schulden versteigert. Viele seiner Werke sind seitdem verschollen.
Carl Stamitz wird zur sogenannten Mannheimer Schule gezählt.
