Карл Фритч родился в Веймаре в знатной баронской семье. После завершения обучения в гимназии родного города поступил в лесную академию в Эйзенахе, в 1860—1862 годах изучал геологию в Гёттингенском университете, который окончил в 1862 году со степенью доктора философии. После завершения обучения совершил поездку с научной целью на Мадейру и Канарские острова, итогом которой стало опубликование большой работы о геологии Канар. В том же году начал преподавать в Цюрихском университете, в 1863 году защитил в этом учебном заведении габилитационную диссертацию. В 1866 году отправился для наблюдения вулканического извержения Санторина, с 1867 года читал лекции по геологии в цюрихском Политехникуме. В том же году был приглашён Зенкенбергским обществом естествоиспытателей в качестве доцента по минералогии и геологии во Франкфурт на Майне. В 1872 году он вместе с Рейном путешествовал по Марокко и Верхнему Атласу. В 1873 году стал экстраординарным, а в 1876 году — ординарным профессором по геологии в Галле, отдав этому заведению более 30 лет работы и активно занимаясь в нём изучением геологии Саксонии. В 1877 году был избран членом академии Леопольдина, в 1895 году стал её президентом, занимая эту должность до конца жизни. С конца 1880-х годов его научные интересы были связаны в большей степени с палеонтологией, нежели с геологией.