Op 25 december 1627 huwde Carlo met Maria Gonzaga (1609-1660), dochter van Francesco IV Gonzaga, hertog van Mantua, en erfgename van haar oom Vincenzo II Gonzaga, die op de dag van de bruiloft overleed. Via het huwelijk wilde Vincenzo de opvolging in het hertogdom Mantua verzekeren. Het kwam echter tot de Mantuaanse Successieoorlog, waarbij Carlo I Gonzaga, de vader van Carlo II, gesteund werd door Frankrijk. Zijn vader won deze oorlog uiteindelijk in 1631 en kon hierdoor hertog van Mantua worden.