Nacque a Torino il 20 Giugno 1634, terzo figlio di Vittorio Amedeo I e Maria Cristina di Borbone sorella del re di Francia Luigi XIII.

Alla morte di suo fratello maggiore Francesco Giacinto, avvenuta nel 1638, salí al trono all'età di quattro anni sotto la tutela della madre che prese il titolo di Madama Reale.

Questo portò il malcontento degli zii paterni Maurizio e Tommaso che, essendo filospagnoli, non accettavano la politica della tutrice Cristina la quale appoggiava la Francia e Richelieu. Essendo il duca di salute cagionevole, gli zii ebbero il timore che morisse giovane come il fratello e che il ducato, senza un erede diretto, diventasse una provincia francese.

Questo portò ad una guerra interna che portò Madama Reale ed il duca a ritirarsi in Savoia. Negli anni seguenti le due parti riuscirono ad arrivare ad un accordo, anche perchè i soli a trarre benefici dalle loro dispute erano i francesi e gli spagnoli.

Nel 1648 divenne maggiorenne, ma la madre mantenne le redini del ducato sino alla sua morte avvenuta nel 1663.

Solo a questo punto Carlo Emanuele II iniziò effettivamente a regnare e si trovò a gestire uno stato profondamente provato dai precedenti lunghi anni di guerre.

Rinnovò l'esercito, promosse l'istruzione pubblica e cominciò una trasformazione urbana atta ad abbellire la città di Torino ed il ducato.

Nel 1663 sposò in prime nozze Francesca Maddalena d'Orléans, morta l'anno seguente senza avergli dato figli, e subito dopo nel 1665 Maria Giovanna Battista di Savoia Nemours, dalla quale ebbe due figli: Cristina sposa di Carlo Ferrero Fieschi principe di Messerano e Vittorio Amedeo suo successore e primo re di Sardegna. Ebbe anche diversi altri figli illegittimi da relazione extraconiugali.

Nel 1670 tentò di impossessarsi di Genova, ma la campagna militare risultò disastrosa.

Morí a Torino il 12 Giugno 1675 e venne seppellito nella cappella della Sindone.

La sua monetazione viene divisa in quattro parti:

La reggenza della madre Cristina

Le monete fatte coniare a suo nome dagli zii

Le monete fatte battere durante l'assedio di Cuneo dal governatore Conte Vivalda

Il periodo ducale