Pochodził z rodziny ziemiańskiej. Pod wpływem rodziców zaczął studia rolnicze w Halle, które rzucił w 1900 roku. Rok później rozpoczął naukę gry na fortepianie i kompozycji w lipskim konserwatorium. W 1907 roku studiował filozofię w Berlinie. Podróżował do Włoch i Francji. W 1908 roku zamieszkał w Czarkowach nad Nidą, a po wybuchu I wojny światowej – w Krakowie. Po 1920 roku rozpoczął współpracę z "Głosem Narodu", związał się z Narodową Demokracją. W latach 1933–1937 był członkiem Polskiej Akademii Literatury, a w latach 1934–1937 reprezentował Stronnictwo Narodowe jako radny krakowski.
W 1901 roku zadebiutował tomem dekadenckich wierszy "Tandeta". W latach 1907–1909 wydał filozoficzną "Tetralogię poetycką" ("Pro memoria", "Maya", "Ante lucis ortum", "Saeculum solutum"). W sztukach "Żeglarze" (1908), "Pod górę" (1910) i "Echo" (1911) dał wyraz poszukiwaniom psychologiczno-symbolicznym. Sławę przyniósł mu "Judasz z Kariothu" (1913), dramat nawiązujący do form misteryjno-moralitetowych. Wystawiony w Krakowie, z wybitną rolą Ludwika Solskiego, był jednym z najważniejszych wydarzeń epoki.
W trakcie pisania "Judasza" dokonał się w Rostworowskim istotny dla całego jego przyszłego życia przełom duchowy – pisał Adam Grzymała-Siedlecki. – "Judasz" to poetycki dokument powrotu do wiary i na "Judaszu" można wyśledzić, że nie co innego, jak tylko Ewangelia była drogą, która go do katolicyzmu przywiodła.
Autora zaczęto uważać za następcę Stanisława Wyspiańskiego. Szeroko komentowany był również "Kajus Cezar Kaligula" (1917) – studium tyranii, z bohaterem jako jednostką wybitną, uginającą się wskutek miałkości otoczenia.
Antyrewolucyjne poglądy Rostworowskiego znalazły odzwierciedlenie w ekspresjonistycznym moralitecie "Miłosierdzie" (1920), grotesce "Straszne dzieci" (1922), "Zmartwychwstaniu. Fantazji dramatycznej w czterech częściach ku czci Adama Mickiewicza" (1923) i nawiązującym do współczesności "Antychryście" (1925). W kwestii rewolt rozwiewał złudzenia w sztuce "Czerwony marsz" (1930), o rewolucji francuskiej. Do konwencji realistycznej powrócił w "Niespodziance" (1929) i kontynuacjach: "Przeprowadzce" (1930), "U mety" (1932). W 1936 r. napisał swoją jedyną komedię "Don Kiszot za kulisami".
"Niespodzianka", której nadał cechy antycznej tragedii, była historią zbrodni popełnionej w podkrakowskiej wsi przez parę starych, biednych ludzi. Kiedy autor przesłał sztukę Solskiemu, z prośbą o zagranie Ojca, aktor wyraził ubolewanie, że nie może wystąpić w nadzwyczajnej roli Matki - kojarzyła mu się z heroinami starogreckich widowisk.
Antoni Słonimski, na ogół ostro krytyczny wobec dorobku Karola Huberta Rostworowskiego, z unaniem przyjął jego sztukę "U mety", zamykającą "cykl wiejski". "Bogactwo środków, od silnych spięć dramatycznych aż po humor w najlepszym gatunku, czyni z dzieła Rostworowskiego rzecz godną pochwały i godną wzruszenia, tego wzruszenia, którego skąpi nam zimny teatr współczesny" – pisał w październiku 1933 roku, po premierze przedstawienia "U mety" w Teatrze Narodowym, w reżyserii Ludwika Solskiego.
Ze straszliwej ponurości "Niespodzianki", poprzez potknięcia i niezręczności "Przeprowadzki", doszedł Rostworowski w ostatnim dramacie tryptyku do pełnego i ostatecznego zamknięcia bardzo ludzkiej i przejmującej tragedii. "U mety" to sztuka teatralna, jakiej dawno nie oglądaliśmy na scenie polskiej. Jest w niej głęboki nurt namiętności, pasja pisarska, a jednocześnie surowy, niemal zimny, uważny obiektywizm. Przekleństwo zbrodni wlecze się jak krwawy opar za synem chłopa Szywały. Nie ma w tym żadnej mistyki, ale prosta i prawdziwa droga cierpień człowieka, który nie potrafił rozplątać, zerwać więzów przeszłości.
[Antoni Słonimski, "Gwałt na Melpomenie", t. 2., Warszawa 1959]
Rostworowski był pierwowzorem postaci Młodego Człowieka/Huberta w dramacie "Brat naszego Boga" Karola Wojtyły. On też – jako papież Jan Paweł II, podczas ze środowiskiem twórców w warszawskim Teatrze Wielkim, 8 czerwca 1991 roku – zwrócił się m.in. do ministra kultury Marka Rostworowskiego:
Trudno mi jednak w tej chwili, mówiąc do syna wielkiego polskiego dramaturga Karola Huberta Rostworowskiego, nie zaświadczyć, ile ja sam zawdzięczam jego postaci, jego twórczości. Niech ten hołd pośmiertny wobec wielkiego polskiego pisarza, wielkiego człowieka teatru, wielkiego chrześcijanina będzie jakimś spłaceniem długu, który przez powojenne pokolenie w Polsce nie był spłacony, raczej ojciec pański – Karol Hubert Rostworowski był, powiedziałbym, tendencyjnie zapomniany.
Zapomniany z racji dominującej w jego dramaturgii problematyki etycznej, katolickiej z ducha. I z powodu ujęcia konfliktu moralnego między boskim ładem świata, a ułomną ludzką naturą.
Karol Hubert Rostworowski z małżeństwa z Różą z Popielów miał trzech synów: Jana (1919–1975, poetę), Marka (1921–1996, historyka sztuki, ministra kultury i sztuki) i Emanuela (1923–1989, historyka, redaktora naczelnego Polskiego Słownika Biograficznego).