Był synem znanej malarki, Henryki Beyer z Minterów, prowadzącej w Warszawie szkołę malarstwa i rysunku dla kobiet, oraz Jana Gottlieba Wilhelma Beyera, dyrektora warszawskiej loterii. Wraz z bratem, Henrykiem Karolem, kształcił się w Liceum Warszawskim aż do chwili jego zamknięcia w 1831 roku. Po przerwaniu nauki przez pewien czas pracował w znanej warszawskiej odlewni swego wuja, Karola Mintera, po czym udał się do Paryża, gdzie nauczył się jednej z pierwszych technik fotograficznych - dagerotypii.
W 1845 roku, po powrocie do Warszawy, Karol Beyer otworzył swój pierwszy zakład fotograficzny, w lokalu przy ulicy Senatorskiej. Siedzibę zmieniał potem dwukrotnie, otwierając atelier najpierw przy ulicy Wareckiej, a następnie przy Krakowskim Przedmieściu. Zakończył swą działalność fotograficzną około 1869 roku. W jego atelier pracowało wielu znanych potem fotografów, między innymi: Marcin Olszyński, Konrad Brandel, Teofil Boretti, Ferdynand Kloch, Aleksander Kowaliński, wreszcie Meletiusz Dutkiewicz.
W latach 1862-1865 z powodu działalności patriotycznej Beyer przebywał na zesłaniu w Rosji. Po powrocie do Warszawy zastał swój zakład w ruinie. Sprowadził wtedy z Wiednia znakomitego fotografa - wspomnianego Meletiusza Dutkiewicza, przy pomocy którego przywrócił dawną świetność swemu przedsiębiorstwu. W 1869 roku wraz z Dutkiewiczem otworzył także w Warszawie pierwszą światłodrukarnię mechaniczną, która wydawała albumy z fotografiami zabytków kultury polskiej. Znalazł się wśród nich album wydany na czterechsetlecie urodzin Kopernika, za który cesarz Franciszek Józef udekorował Dutkiewicza Złotym Krzyżem Zasługi.
W 1863 roku Karol Beyer sfinansował budowę olbrzymiej kamienicy z rotundą na rogu Krakowskiego Przedmieścia i ulicy Królewskiej, zaprojektowanej przez Józefa Orłowskiego. Jej architektonicznym odpowiednikiem stała się wzniesiona później rotunda hotelu Bristol. Budowla istniała do 1944 roku i do końca nazywana była przez warszawian "kamienicą Beyerowską". Po 1945 roku nie została odbudowana, dziś oglądać ją można między innymi na fotografiach z pogrzebu Bolesława Prusa.
Działające w gmachu atelier utrzymywało się głównie z fotografii portretowej, odwiedzały je najwybitniejsze osobistości i znane postaci życia politycznego, kulturalnego i artystycznego Warszawy. Jednak wszechstronne zainteresowania właściciela zakładu sprawiły, że podejmował w fotografii różnorodne tematy, podobnie jak miało to miejsce w wielu znanych ateliers stolic europejskich.
Karol Beyer zajmował się między innymi fotografią naukową, która dopiero zaczynała się rozwijać, ale od początku wynalezienia fotografii uznawana była za jedno z jej najważniejszych potencjalnych zastosowań. W 1851 roku Beyer wykonał dagerotypy przedstawiające zjawisko zaćmienia słońca. Do celów naukowych wykorzystywał także walory dokumentalne fotografii, utrwalając w roku 1854 monety i medale polskie. Dwa lata później stworzył dokumentację zbiorów najcenniejszych polskich kolekcjonerów, które zaprezentowane zostały podczas wystawy w Warszawie. Także potem - na przełomie 1858 i 1859 roku - Beyer sfotografował dzieła sztuki pokazywane na "Wystawie starożytności i zabytków sztuki" w Krakowie, zorganizowanej przez tamtejsze towarzystwo naukowe. Ilustracje w wydanym przezeń albumie przedstawiają wykopaliska archeologiczne, naczynia i biżuterię, dawną broń, elementy stroju czy wyposażenia wnętrz, a także insygnia władzy. Karol Beyer reprodukował w technikach fotograficznych także współcześnie powstające obrazy, rysunki i rzeźby, przyczyniając się do ich popularyzowania wśród szerokiej publiczności.
Zajmował się również fotografią architektury i pejzażu, podróżował po kraju, na obszarze od Gdańska przez Płock i Częstochowę, po Kraków i Ojców, by uwiecznić ważne w historii kraju miejsca i zabytki. Był także wnikliwym obserwatorem rodzinnego miasta, uwieczniał kamienice staromiejskie, kościoły, Zamek Królewski. Portretował Warszawę utrwalając zmiany zachodzące w jej architekturze, czego doskonałym przykładem jest seria fotografii ukazujących etapy budowy Mostu Kierbedzia w latach 1859-1864. Był również autorem zdjęć przedstawiających mieszkańców Warszawy, ukazujących życie codzienne stolicy. Do najciekawszych osiągnięć fotografii tego czasu należy z pewnością panorama Warszawy, której autorstwo przypisuje się Karolowi Beyerowi. Składa się z ona z dwunastu zdjęć o wymiarach 20 na 26 centymetrów - widoków miasta wykonanych z kopuły ewangelickiego kościoła Św. Trójcy, połączonych następnie w całość.
Beyer uważany jest także za autora pierwszych polskich fotoreportaży o wymowie politycznej. Fotografował z okna swej pracowni wojska carskie stacjonujące na Placu Saskim w 1861 roku, a przede wszystkim wykonał poruszającą serię pośmiertnych portretów pięciu demonstrantów poległych w patriotycznej manifestacji 27 lutego tegoż roku: Michała Arcichiewicza, Filipa Adamkiewicza, Karola Brendela, Zdzisława Rutkowskiego i Marcelego Karczewskiego. Za upowszechnianie tych fotografii Beyer był dwukrotnie aresztowany przez władze carskie. W latach 1862-1865, jak wspomniano, przebywał na zesłaniu na Syberii, w Nowochapiorsku.
Postawa Karola Beyera pełna była społecznego zaangażowania, co rzutowało na jego rozumienie roli fotografii. Po wydarzeniach 1861 roku wszedł w skład Delegacji Miejskiej, mającej zadbać o uspokojenie nastrojów społecznych. Jako przyjaciel malarzy, pisarzy, dziennikarzy, naukowców i finansistów pozostawał w centrum wydarzeń nie tylko kulturalnych, ale także politycznych. Wszystkie znaczące inicjatywy w Warszawie realizowano z jego udziałem, a wśród ówczesnych znane było jego powiedzenie, świadczące o ustawicznej gotowości do bezinteresownej pracy dla wspólnego dobra: "beze mnie te rzeczy się nie robią". Był między innymi współzałożycielem Towarzystwa Zachęty Sztuk Pięknych w 1860 roku, uczestniczył przy powoływaniu do życia "Tygodnika Ilustrowanego" w 1859 roku. Jako pierwszy polski fotograf współpracował stale z prasą ilustrowaną. O jego pozycji u współczesnych, a także sławie poza granicami kraju, może świadczyć fakt, że od 1855 roku pozostawał członkiem Société Française de Photographie, prestiżowego stowarzyszenia założonego w Paryżu rok wcześniej i skupiającego aktywnych fotografów z całego świata.
Beyer słynął również jako miłośnik i wybitny kolekcjoner numizmatyki. Był właścicielem cennego zbioru monet, a także autorem wielu publikacji w tej dziedzinie. Swego znawstwa dowiódł demaskując fałszerza, Józefa Majnerta. W 1856 roku z inicjatywy Karola Beyera, podczas spotkania towarzyskiego w kamienicy przy ulicy Piwnej w Warszawie, zawiązało się Warszawskie Towarzystwo Numizmatyczne.