爱森纳赫大公卡尔·腓特烈与俄罗斯女大公玛丽亚·巴甫洛夫娜的次子，1818年6月24日生于大公国首都魏玛。由于长兄卡尔于他出生前去世，他一出生就成为萨克森-魏玛-爱森纳赫的继承人，并于1828年父亲继承大公之位后成为大公世子。卡尔·亚历山大年轻时接受了瑞士教育家弗雷德里克·索雷特的认真教育。他精通多门外语，1835年开始在莱比锡和耶拿学习历史、法律和自然科学，并参加了军事训练。1841年成为耶拿大学法学博士。1842年10月8日在海牙，卡尔·亚历山大与小姨的女儿荷兰的索菲公主举行了婚礼。卡尔·亚历