ב-1906 אוטו פרנץ נפטר מעגבת בגיל 41. מותו הביא לכך שקרל היה השני בסדר ירושת הכתר, אחרי דודו פרנץ פרדיננד. עקב מות אביו והתקרבותו של קרל לירושת הכתר, הקיסר פרנץ יוזף הורה להתחיל להסדיר את חינוכו ואת סדר יומו של היורש המיועד עבור הכנתו לקראת תפקיד הקיסרות. קרל הוצא מלימודיו באוניברסיטה ללא ההזדמנות לסיים תואר אקדמי ונשלח במהרה לשירות בצבא האוסטרו-הונגרי לפי החינוך המסורתי עבור יורשי העצר. בשנת 1911 נשא לאשה את זיטה, נסיכת בורבון-פארמה, בתם של רוברטו הראשון, דוכס פארמה ומריה אנטוניה, נסיכת פורטוגל, ולזוג היו 8 ילדים. החתונה הוסדרה בידי פרנץ יוזף, אשר במקור שידך בין קרל וזיטה. נישואיהם של קרל וזיטה היו נישואים שמחים והשניים חלקו באידיאלים פוליטיים מקבילים כמו גם אדיקות דתית דומה. קרל עדיין לא קיבל חינוך סדיר בפוליטיקה השלטונית ונותר מחוץ למעשיות השלטון. הרחקתו מלימודי ההתנהלות המנהלית והמשטר כמו גם הפעילות הפוליטית בחצר המלוכה נבעה בעיקר מכיוון שהקיסר פרנץ יוזף הניח כי קרל יוכל ללמוד זאת בעת שלטונו של פרנץ פרדיננד.
סדר הירושה השתנה כאשר ב-28 ביוני 1914 פרנץ פרדיננד נרצח בידי גברילו פרינציפ שהיה חלק מארגון היד השחורה; ארגון טרור סלאבי-לאומני אשר נתמך בידי ממלכת סרביה והיה מקורב לראש המודיעין הסרבי, דרגוטין דימטרייביץ'. עם הירצחו של דודו פרנץ פרדיננד, קרל הפך ליורש העצר הישיר עבור הקיסר פרנץ יוזף. הקרע ביחסי אוסטרו-הונגריה וסרביה ומשבר יולי שהתרחש בעקבות הרצח, כמו גם מערכת הבריתות הצבאיות בין המעצמות האירופאיות, היו מבין הגורמים הישירים שהובילו לפרוץ מלחמת העולם הראשונה. במסגרת המלחמה נאבקה אוסטרו-הונגריה לצד הקיסרות הגרמנית ובהמשך גם האימפריה העות'מאנית וממלכת בולגריה כחלק ממעצמות המרכז.
מלחמת העולם הראשונה.
בהוראת הקיסר הוצב קרל לקראת המלחמה ללמוד על המנהל הצבאי במטה הכללי האוסטרי (AOK; Armee ober kommando). ראש המטה האוסטרו-הונגרי, קונרד פון הצנדורף, סירב לאפשר לקרל להתערב בתכנונים אסטרטגיים עם פרוץ המלחמה. במקום זאת, קרל נשלח תחילה לבקר בחזית בשם הקיסר, צפה במצעדים צבאיים וחילק עיטורים. בהמשך נשלח קרל, בהיותו בדרגת קולונל, אל קרב גליציה כקצין קישור עבור צבא הקיסרות הגרמנית. בהמשך קרל נשלח לשרת במטה הצבא בטשן (צ'שין כפי שהיא ידועה בפולנית) תחת פיקודו של הארכידוכס פרידריך, דוכס טשן. בהמשך הועלה קרל לדרגת סגן-פילדמרשל והיה מעורב במתקפת גורליצה-טרנוב שהייתה למתקפת נגד של מעצמות המרכז בחזית גליציה.
במהלך ההשתלטות של צבאות גרמניה ואוסטרו-הונגריה על נחלות האימפריה הרוסית, קודם נרטיב לפיו צבאות מעצמות המרכז משחררים את יהודי מזרח אירופה מעול שלטון הצאר הרוסי שכפף אותם למגורים בתחום המושב. בהמשך לנרטיב זה בירך קרל את יהודי העיירה צ'רנוביץ עם שחרורה מידי השלטון הרוסי (העיירה נכבשה בתחילת המלחמה בידי הצבא הרוסי) בגלויה ובה כתב: "יהודים סבלו מאד תחת השלטון הרוסי. האוכלוסייה היהודית פטריוטית מאד ואנו לא נשכח זאת לעולם."
במהלך מתקפת גורליצה-טרנוב נגד הרוסים בגליציה, התברר לקרל עד כמה היה הצבא האוסטרו-הונגרי תלוי במקבילו הגרמני עבור המלחמה. היה זה לאחר הניצחון של מעצמות המרכז במתקפה שהחלה הנסיגה הגדולה של הצבא הרוסי. באביב 1916 מונה קרל למפקד הקורפוס ה-20 שהיה חלק מהארמייה ה-11 בפיקוד ויקטור דנקל בחזית האיטלקית, והשתתף עם הקורפוס שבפיקודו במתקפת טרנטינו. ב-4 ביולי 1916 מונה קרל למפקד הארמייה ה-12 בחזית המזרחית, וב-13 באוגוסט 1916 מונה קרל למפקד קבוצת ארמיות הארכידוכס קרל (הקבוצה כללה את הארמייה הראשונה ואת הארמייה השביעית של האימפריה האוסטרו-הונגרית) בחזית המזרחית, והשתתף עימה בבלימת מתקפת ברוסילוב הרוסית.
קיסר האימפריה האוסטרו-הונגרית.
פוליטיקה, משברים ותסיסה אזרחית.
כבר בתחילת דצמבר 1916 הוכתר קרל למלך הונגריה בחסות פרנץ יוזף לקראת מינויו לקיסר על כל האימפריה. בטקס הכתרתו קיים שבועת הכתרה והבטיח כי ישמר את חוקתה הקיימת של הממלכה, אשר אישרה את עקרון הדואליזם הקיסרי ובכך אישר קרל את שימור מעמדם המיוחס של ההונגרים (יחד עם זה של האוסטרים הגרמנים) בתוך המדינה הרב לאומית. בכך ויתר למעשה על ההזדמנות להפוך את הפלך ההונגרי של המלוכה הכפולה למבנה פוליטי פדרליסטי יותר עם מעורבות רבה יותר של אוכלוסיית העמים הסלאביים. מבקריו של קרל רואים זאת כאחת הטעויות האסטרטגיות הפוליטיות הגדולות שלו. עם מותו של הקיסר פרנץ יוזף ב-21 בנובמבר 1916 הוכתר קרל לקיסר. במקביל התמנה גם לגנרל-פלדמרשל, ולמפקדו העליון של צבא אוסטרו-הונגריה במהלך המלחמה. קרל ניסה, ללא הצלחה, להוריד מההשפעה הגרמנית על האימפריה האוסטרו-הונגרית.
כינוס הרייכסראט (המועצה הקיסרית; הבית התחתון של הפרלמנט האוסטרי) בידי קרל במאי 1917 נתפס כאמצעי פיוס של המונרך החדש עם סיעות הפרלמנטרים והבדלנים המתמרמרות נגד שלטון וינה. הוא הפעיל מחדש את הליך הייצוג העממי לאחר שהפרלמנט של המחצית האוסטרית של האימפריה (בניגוד לפרלמנט ההונגרי, שהמשיך בפעילותו ללא הפרעה) פוזר מיד לאחר הרצח של פרנץ פרדיננד בסרייבו. צעד זה של פיזור הפרלמנט ננקט כיוון שלא ניתן להבטיח את פעולתו של הפרלמנט כתוצאה מהמתיחות בין הלאומים השונים לאחר הכרזת המלחמה בשנת 1914. הממשלה קבעה את הפיזור על בסיס חוק מצב חירום לאומי שנבע מתוך סעיף 14 לחוקת 1867 אשר אפשר חקיקה על פי צו, ללא מעבר הצבעה של הרייכסראט. בשנים הראשונות של המלחמה אוסטריה הייתה אפוא דיקטטורה למעשה ללא כל ייצוג עממי.
אחת מפעולותיו הראשונות של קרל בהיותו קיסר הייתה כניסה לשיחות שלום חשאיות עם צרפת; כאשר גיסו, סיסטו, נסיך בורבון-פארמה, אחיה של אשתו, אשר היה קצין בצבא בלגיה, שימש כמתווך. כאשר דבר השיחות הודלף באפריל 1918, התנער קרל ממעורבות במגעים עד אשר ראש ממשלת צרפת, ז'ורז' קלמנסו חשף את ההתכתבות החשאית. הדבר גרם לאוסטריה להסתבך דיפלומטית עם בעלות בריתה ונדרשה ממנה מעורבות רבה יותר במלחמה מצד האימפריה הגרמנית בת בריתה שעליה נשענה. באותה העת חלק נרחב מהתסיסה האזרחית נבע בעיקרו ממחסור אספקה, דיכוי פוליטי, צנזורה ממשלתית על התקשורת, קשיי המלחמה, עיצומים מסחריים מצד מדינות ההסכמה ועוד. בתוך הממשל עלתה השאלה לגבי האפשרות להסדיר מונופול ממשלתי על חלוקת הייבולים בין תושבי האימפריה, הצעה שנתמכה בעיקר בידי גורמים סוציאליסטים.
מספר פוליטיקאים מהאופוזיציה (כגון נשיא צ'כוסלובקיה לעתיד, טומאש מסריק) יצאו לגלות כדי להימלט מרדיפות מצד רשויות השלטון האוסטרים. כמה צירים הועמדו לדין ונכלאו בגין חתרנות פוליטית; הסגן ססארה בטיסטי האיטלקי אף הוצא להורג באשמת בגידה. בניגוד לכוונותיו של הקיסר, הרייכסראט המחודש הפך כעת לזירה עיקרית בהסלמות הסכסוכים הלאומיים והתפוררות המלוכה. ממשלות הוקמו ופוזרו ללא הרף וללא בסיס פוליטי יציב בציסלייטניה. המצב הסלים עוד יותר בקיץ 1918. המתקפה האוסטרית בחזית האיטלקית הסתיימה בסטטוס קוו, ומיצוי היכולות הצבאיות של אוסטרו-הונגריה היה ברור לעיני העולם בכלל.
קריסת האימפריה.
המצב מבית היה לא יציב, החמיר על ידי ממחסור אספקת משאבים בסיסיים קטסטרופלי לאוכלוסייה. באוקטובר 1918 נכשל המשא ומתן בין השלטון הקיסרי לבין הצירים ונציגי התנועות הלאומיות של האימפריה. לאחר מכן פרסם הקיסר קרל מניפסט לאומי ב-16 באוקטובר, וקרא לנציגי הלאומים להקים אסיפות לאומיות בארצותיהם בתוך האימפריה. כוונת הקיסר הייתה להפוך את מחצית האימפריה האוסטרית למדינה פדרלית עם אוטונומיה נרחבת לקבוצות הלאומיות השונות. עם זאת, ניסיון מאוחר זה לפדרליזציה של האימפריה ההבסבורגית כבר לא נתפס בידי רוב הבדלנים כהזמנה לרפורמה במלוכה אלא כהזדמנות להשגת ריבונות עתידית, כאשר האפשרות להיפרד מהמלוכה הופכת למציאותית יותר ויותר. המניפסט של קרל האיץ בכך באופן לא רצוני את קריסת סמכותה של המלוכה. באפריל השנה נמנע רעב כבד של תושבי וינה רק הודות לאספקת יבולים מוולאכיה הכבושה בממלכת רומניה דרך נהר הדנובה.
אוסטריה תססה בשנים אלה כתוצאה מדרישתן של הקבוצות האתניות שהרכיבו אותה להשתחרר ממרותה ולקבל עצמאות. דרישות אלה מצאו הד ב"ארבע עשרה הנקודות" שהציג נשיא ארצות הברית וודרו וילסון על מנת לשקם את אירופה שלאחר המלחמה. קרל הביע נכונות לכנס מחדש את הפרלמנט, והציע לכל טריטוריה המוכנה לכך שותפות בקונפדרציה שתקום בשטחי האימפריה. אולם היה זה צעד קטן מדי ומאוחר מדי; הקבוצות האתניות השונות ראו את העצמאות כאפשרית, ולא נטו להתפשר על פחות מעצמאות מלאה.
ב-14 באוקטובר 1918 כתב מזכיר המדינה של ארצות הברית רוברט לאנסינג לקיסר שארצו וכלל מדינות ההסכמה לא יסתפקו בפחות מעצמאות לצ'כיה, סלובקיה ועמי סרביה הדרומית (יוגוסלביה), כך שאפילו אוטונומיה לא תספק אותן. ב-23 באוקטובר 1918 נסעה המשפחה הקיסרית להונגריה, שם המצב היה עדיין יציב יחסית לווינה, על מנת להבטיח לעצמם את המשך הנאמנות של ממשלת הונגריה. הם התיישבו באחוזותיהם ברבעים בגודולו (Gödöllö), מכיוון שהמצב התוסס בבודפשט היה מסוכן לשלומם. ב-26 באוקטובר חזרו הזוג הקיסרי לווינה בחיפזון, לאחר שקיבלו את הידיעה כי הצבא מתמוטט. כסימן לכך שהם לא פשוט עוזבים את הונגריה, הם השאירו בתחילה את ילדיהם שם.