Kaarle XV oli Ruotsin ja Norjan kuninkaan Oskar I:n (hallitsi 1844–1859) ja Leuchtenbergin prinsessa, kuningatar Josefinan (1807–1876) vanhin poika. Syntyessään hänestä tehtiin Skånen herttua. Kruununprinssinä hän toimi Norjan pääministerinä lyhyen aikaa vuonna 1856 ja 1857.
Sisarustensa Gustavin, Oscarin, Eugénien ja Augustin tavoin Karl kasvoi kreivitär, hovinainen Christina Ulrika Tauben valvonnassa. Hänet kouluttivat muun muassa professorit Christopher Jacob Boström ja Fredrik Ferdinand Carlson ja hän suoritti yksityisen ylioppilastutkinnon joulukuussa 1843. Vuonna 1845 hän ilmoittautui Uppsalan yliopistoon ja keväällä 1844 hän opiskeli Kristianiassa (Oslo). Taideakatemian Agrén ja genremaalari Lundqvist, toimivat prinssin taideopettajana ja kapteeni Johan Christian Berger opetti hänelle akvarellimaalausta. Kruununprinssi osoitti nauttivansa taiteesta ja kirjallisuudesta, ja hän oli erityisen kiinnostunut isänmaallisista teoksista, kuten Pehr Henrik Lingin "Asarne", eeppinen runo, joka julkaistiin kolmessa vaiheessa.
Juhannusaattona 1841 hän sai ensimmäisen upseeritoimeksiantonsa isoisältään, kuningas Kaarle XIV Juhanalta. Isänsä Oskar I:n noustua valtaistuimelle vuonna 1844 hänet valittiin 1700-luvun perinteen mukaisesti saman vuoden huhtikuussa Lundin ja Uppsalan yliopistojen kansleriksi ja vuonna 1853 myös Kuninkaallisen taideakatemian kansleriksi. Vasta syksyllä 1844 hän aloitti opinnot Uppsalassa. 11. helmikuuta 1846 hänestä tuli Kuninkaallisen tiedeakatemian ensimmäinen kunniajäsen. Ruotsin armeijassa hän oli Svean henkikaartissa, Svean tykistörykmentissä ja Kruununprinssin husaarirykmentissä miehistössä , mutta lopulta hänestä tuli eversti molemmissa yksiköissä. 21. huhtikuuta 1847 hänet nimitettiin kenraalimajuriksi ja henkikaartin prikaatin komentajaksi. Vuonna 1849 hänestä tuli kenttätykistön kenraali, ja 19. huhtikuuta 1853 hänet nimitettiin kenraaliluutnantiksi. Samanlaisia ylennyksiä hän sai samaan aikaan myös Norjan armeijassa.
Avioliitto ja lapset
Hän avioitui 19. kesäkuuta1851prinsessa Louisen, Alankomaiden kuningas Vilhelm I:n (1815–1840) tyttärentyttären kanssa. Ruotsin kuningattareksi tultuaan Louise käytti nimeä Lovisa.
Heille syntyi kaksi lasta:
prinsessa Lovisa (1851–1926), Tanskan kuningatar Louise avioiduttuaan Tanskan tulevan kuninkaan Fredrik VIII:n kanssa.
prinssi Carl Oscar (1852–1854) kuoli 2-vuotiaana.
Kruununprinssi
Kaarle nimitettiin 7. helmikuuta 1856 Norjan varakuninkaaksi. Norjassa vieraillessaan hän vietti paljon aikaa luonnossa, jossa hän piirsi luonnoksia, jotka hän myöhemmin muotoili maalauksiksi. Hän kiinnostui politiikasta ja kirjoitti proosatarinan Fosterbröderne, joka painettiin vuonna 1848. Se ja toinen kirja Heidi, Gylfen tytär (1855) julkaistiin vain ystäville. Vuonna 1852 hän kilpaili tuloksetta Ruotsin Kuninkaallisen akatemianskaldi-taiteen palkinnosta.
Skandinavian maiden hyvät suhteet merkitsivät 1850-luvun lopulla, että kruununprinssi Karl ja Tanskan kuningas Fredrik VII, jotka olivat tunteneet toisensa vuodesta 1846 lähtien, ystävystyivät Kööpenhaminan vierailun jälkeen. Tällä oli myönteinen vaikutus myös Skandinavian politiikkaan. Kuningas Oskar aloitti myöhemmin Skandinavian sopimuksen valmistelun, jonka tavoitteena oli vahvistaa maiden välistä yhteistyötä ja muodostaa yhteinen kanta eri kysymyksissä.
Oskar I:tä olivat pitkään vaivanneet poissaolokohtaukset, ja kesällä 1857 oli selvää, että hänellä oli parantumaton aivokasvain. Koska puolen vuoden ajan oli ollut epävarmaa, pystyisikö 10 ruotsalaisen ja 10 norjalaisen ministerin muodostama lakiasäätävä neuvosto saavuttamaan tavoitteensa, Riksdag ja Storting päättivät Oskar I:n syyskuussa 1857 tekemän lakiesityksen perusteella, että kruununprinssi sai johtaa neuvostoa. Ruotsin ja Norjan kansallisen hallinnon estämiseksi vuoden mittaisen väliaikaishallituksen muodostumisen. Ehdotus oli kiistanalainen perustuslaillisen puheenjohtajan Louis De Geerin mukaan, koska hän uskoi, että se voisi mahdollisesti olla ristiriidassa hallitusmuodon sanamuodon kanssa. Kuitenkin kaikki säädyr sekä Norjan Storting hyväksyivät esityksen. 8. heinäkuuta 1859 kuningas Oskar kuoli ja kruununprinssi Kaarlesta tuli kuningas Kaarle XV.
Kuningas
Kaarlesta tuli valtionhoitaja 25. syyskuuta1857 ja kuningas isänsä kuollessa 8. heinäkuuta1859. Kruununprinssinä Kaarlen tylyys sai monet suhtautumaan epäillen hänen valtaannousuunsa, mutta hänestä tuli lopulta suosittu ja perustuslaillinen hallitsija. Motokseen hän otti "Land skall med lag byggas". Hänen valtakautensa aikana toteutettiin monia uudistuksia, Ruotsin kunnallislaki, kirkollislaki ja rikoslaki uudistettiin. Kaarle XV avusti myös rahallisesti Louis Gerhard De GeeriaRiksdagin uudistuksessa 1866.
Kaarle XV kannatti skandinavismia ja solidaarisuutta kolmen Pohjolan kuningaskunnan kesken. Hän antoi lupauksia Tanskan Fredrik VII:lle sotilasavusta vuonna 1864, mutta Ruotsin armeijan valmistautumattomuus pakotti Kaarle XV:n tiukkaan puolueettomuuteen.
Kaarle XV oli monin tavoin lahjakas hallitsija. Hän saavutti mainetta taidemaalarina ja hänen teoksensa "Dikter" osoitti hänellä olevan runoilijankin lahjoja.
