Carlo Pio di Savoia era figlio del primo matrimonio di Ascanio Pio di Savoia (1580-1649) con Eleonora Mattei, nobile romana (figlia di Asdrubale Mattei e di Costanza Gonzaga; precedentemente sposata con Ferrante Bentivoglio, marchese di Gualtieri).
Carlo giunse a Roma su invito dello zio, il cardinale Carlo Emanuele Pio di Savoia, che intendeva avviarlo, pur contro le sue inclinazioni, ad una carriera in ambito ecclesiastico. Carlo Emanuele, perseguendo una spregiudicata politica dinastica, si prefiggeva di risollevare le sorti della famiglia Pio di Savoia. Carlo Emanuele era il figlio secondogenito di Enea Pio di Savoia, pretendente della signoria di Sassuolo, uomo politico e diplomatico al servizio del duca di Savoia. Nominò nel maggio del 1641 il fratello Ascanio (in capo al quale Enea Pio di Savoia aveva istituito nel 1613 il maggiorascato) ed il nipote Carlo quali suoi eredi universali, decisione che di fatto vincolò le scelte di Carlo. Quest'ultimo, dopo aver ricoperto incarichi di natura militare e preso parte ad eventi bellici nella penisola (guerra di Castro), si addottorò in legge nel 1649, per poi prendere i voti nel 1650.
Godette dei seguenti titoli: cardinale diacono di Sant'Eustachio (11 febbraio 1664), cardinale presbitero di Santa Prisca (14 novembre 1667), cardinale presbitero di San Crisogono (28 gennaio 1675), cardinale presbitero di Santa Maria in Trastevere (1º dicembre 1681). Fu vescovo di Ferrara (1655-1663), legato a Urbino, prefetto della Congregazione del Buongoverno, Camerlengo del Collegio cardinalizio (1671-1672), cardinale vescovo di Sabina dal 15 febbraio 1683.
Nel 1655 acquistò il Principato di San Gregorio (oggi San Gregorio da Sassola) al fine di far acquisire il titolo di principe al fratellastro Luigi, che infatti divenne il primo principe di San Gregorio. Negli anni tra il 1658 e il 1674, con l'intenzione di fare del principato il "gioiello della primogenitura del Casato", fece costruire in San Gregorio un nuovo borgo fuori le mura, che ancora oggi porta il suo nome: Borgo Pio. Un interessante esempio di pianificazione urbanistica seicentesca.