1847 in Bielitz geboren, war er zunächst im väterlichen Baumeisterbetrieb tätig und studierte vier Semester Architektur. Seinem größten Wunsch entsprechend, wechselte er 1864 zu den Naturwissenschaften und studierte vier Semester beim berühmten analytischen Chemiker Remigius Fresenius in Wiesbaden, um anschließend als Chemiker bei den Eisenwerken der Brüder Dorlodot in Aeroz bei Charleroi in Belgien tätig zu sein.
Am 7. Dezember 1869 immatrikulierte er sich 22-jährig an der Universität Heidelberg im Fach Chemie, wo er schon nach zwei Semestern von Professor Robert Wilhelm Bunsen das Amt eines Assistenten übertragen bekam.
Am 18. Juli 1871 richtete er das Ansuchen um Zulassung zur Doktorprüfung an die Hochlöbliche Philosophische Facultät der Universität in Heidelberg. Die Doktorprüfung legte er am 31. Juli 1871 im Beisein von 17 Professoren und 9 prüfenden Professoren ab. Unter den Prüfenden waren berühmte Namen wie Bunsen, Gustav Robert Kirchhoff, Blum, Hermann Kopp, Neubauer, Braun, Hermann von Helmholtz und Hermann Köchly zu finden. Am 1. August 1871 wurde ihm die Promotionsurkunde mit der Note insigni cum laude überreicht.
Dr. Carl Josef Bayer heiratete am 21. September 1892 Alma von Witte, eine Nichte des russischen Ministerpräsidenten Sergej Witte in der St. Katharinen-Kirche in St. Petersburg. In den Jahren 1893 bis 1901 kamen sechs Kinder auf die Welt. Der erste Sohn Erich erblickte in Elabuga das Licht der Welt, der zweite Sohn Walter in Washington D. C., USA, der dritte Sohn Guido in Cilli, Untersteiermark, heute Slowenien, der vierte, Herbert, der fünfte, Fritz, und das sechste Kind Elsa kamen in Rietzdorf an der Pack (heute Rečica ob Paki, Gemeinde Šmartno ob Paki, bei Celje) zur Welt, wo er im Jahr 1896 Grundstücke erwarb, eine Fabrik, ein Laboratorium und eine Villa für die achtköpfige Familie erbaute. Berühmte Wissenschafter der ganzen Welt verkehrten bei Bayer in Rietzdorf, so auch Paul Héroult aus Frankreich und Charles Martin Hall aus den USA (Hall-Héroult-Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse). Die Bayer-Villa ist heute noch im Original zu besichtigen.
Bayer sprach sieben Sprachen: Deutsch, Französisch, Englisch, Russisch, Italienisch, Slowakisch und Polnisch. Als musischer Mensch liebte er Musik und die Künste.
Es war sein größter Wunsch, in seiner Heimat eine Tonerde- und dann eine Aluminiumfabrik zu errichten, um die in der Steiermark, in Krain und Dalmatien vorkommenden Bauxite zu verwerten. Er glaubte an den Siegeszug des Aluminiums auf der ganzen Welt. Lizenzvereinbarungen, verbunden mit Tantiemenzahlungen, wurden weltweit abgeschlossen.
Am 22. Oktober 1904 starb Dr. Carl Bayer 57-jährig und hinterließ seine Gattin mit sechs unversorgten Kindern. Die Witwe Alma, eine außergewöhnliche und starke Frau ermöglichte allen Kindern eine gymnasiale Bildung, größtenteils in Graz, und allen Söhnen ein Hochschulstudium. Zwei Söhne traten in die Fußstapfen des Vaters und wurden Chemiker.
Die Tantiemenzahlungen trafen nach seinem Tode zunehmend schleppend ein und wurden zum Teil ganz eingestellt. Teure internationale Prozesse konnte sich die Witwe Alma Bayer nicht leisten. Viele Verträge wurden abgesehen von einer Anzahlung nie vollständig ausbezahlt.
Nicht allgemein bekannt ist, dass das Wort Bauxit von der südfranzösischen Ortschaft Les Baux de Provence stammt, wo Dr. Bayer bei Gardanne auch eine Fabrik erbaute, die das bei Les Baux gewonnene Bauxit verarbeitete.
Sein erstes Patent reichte er am 17. Juli 1887 aus Tentelewa bei Sankt Petersburg/Russland am Kaiserlichen Patentamt ein. Es wurde unter der Nummer 43977 am 3. August 1888 veröffentlicht. Sein zweites Patent reichte er am 31. Januar 1892 aus Jelabuga (Russland) ein. Es wurde am 3. November 1892 veröffentlicht.
Gleichzeitig reichte er seine Patente in mehreren Staaten wie Frankreich, USA, England ein und baute in England, USA, Belgien, Irland, Italien, Deutschland Fabriken nach seinem Verfahren, dem Bayer-Verfahren, so auch in Tentelewa und Elabuga in Russland. Weltweit war er gefragt und tätig. Dr. Carl Josef Bayer arbeitete wissenschaftlich an vielen Projekten, wie z. B. über Die Anwendung von Salicylsäure und deren Wirkung, über den Beitrag zur Chemie von Indium, das Verfahren zur Herstellung von künstlichem Kryolith und andere mehr.