Carl Hauptmann wurde als Sohn des Gastwirts Robert Hauptmann im Hotel "Zur Krone" geboren und war der ältere Bruder des Dichters Gerhart Hauptmann.
Wegen seiner schwachen Gesundheit blieb Hauptmann bis zu seinem 13. Lebensjahr im Elternhaus und besuchte die Dorfschule. Erst von 1872 bis 1880 ging er auf die Realschule in Breslau. Dort freundete er sich mit seinem Klassenkameraden Alfred Ploetz an, eine Freundschaft, die bis zu seinem Tode währte.
Carl studierte ab 1880 an der Universität Jena bei Ernst Haeckel Naturwissenschaften und bei Rudolf Eucken Philosophie. Mit der Dissertation "Die Bedeutung der Keimblättertheorie für die Individualitätslehre und den Generationswechsel" wurde Carl im Jahre 1883 zum Dr. phil. promoviert. Sein frühestes Werk, ein Gedicht, stammt aus dem Juni 1881. Er war prominentes Mitglied des von Haeckel gegründeten Monistenbundes.
Nach der Promotion erfolgte 1883 eine Italien-Reise, die ihn nach Genua, Neapel, Capri, Sorrent und Rom führte. Auf der Rückreise besuchte Carl in Zürich seinen Freund Alfred Ploetz, der dort studierte. Da Carl eine wissenschaftliche Laufbahn einschlagen wollte, setzte er seine Studien bei dem Philosophen Richard Avenarius und dem Psychiater Auguste Forel in Zürich fort.
Hauptmann heiratete in erster Ehe 1884 Martha Thienemann, eine der fünf Töchter des Dresdner Wollgroßhändlers Berthold Thienemann († 1880), Besitzer der bischöflich-meißnischen Sommerresidenz Hohenhaus in Radebeul im Elbtal.
Durch seine Heirat 1884 finanziell unabhängig geworden, setzte er sein Studium in Zürich fort. Dort lernte er Frank Wedekind kennen. Hauptmann verzichtete auf eine wissenschaftliche Karriere in Zürich und zog statt dessen 1889 nach Berlin.
1891 bezog er das gemeinsam mit seinem Bruder Gerhart gekaufte Haus in Schreiberhau im Riesengebirge. Heute befindet sich im Haus das Muzeum w Szklarskiej Porebie, eine Außenstelle des Riesengebirgsmuseums in Jelenia Góra (Hirschberg). Hier wird zeitgenössische polnische Kunst aus dem Riesengebirge gezeigt und mit einer kleinen Ausstellung noch immer an die Brüder Hauptmann erinnert.
Seine Frau Martha warf Hauptmann wegen mehrfacher Untreue hinaus und ließ sich am 2. Mai 1908 scheiden. Nach seiner Scheidung heiratete Hauptmann in zweiter Ehe im Jahr 1908 Maria Rohne.
Bruder Georg Hauptmann hatte 1881 Adele Thienemann und Bruder Gerhart Hauptmann 1885 Marie Thienemann (1860-1914) geheiratet.
Das Grab von Carl Hauptmann befindet sich auf dem ehemaligen evangelischen Friedhof in Nieder-Schreiberhau. Das Grabdenkmal wurde von Hans Poelzig entworfen und von seiner Frau Marlene Poelzig in Keramikform gestaltet. Ende der 1960er Jahre wurden die oberen Teile des Denkmals und Anfang der 1980er Jahre fast das gesamte Denkmal zerstört. 1982-1983 wurde das Grabdenkmal in den Werkstätten für Denkmalpflege in Torun (Thorn) rekonstruiert. Diese originalgetreue Rekonstruktion befindet sich jetzt auf dem Gelände des Schreiberhauer Museums. Mitte der 1980er Jahre stellte man auf dem Grab des Friedhofs in Nieder-Schreiberhau eine rechteckige massive Grabplatte mit Inschriften in deutscher und polnischer Sprache auf.