Nacque al castello di Wilhelmsthal come secondogenito, ma maggiore tra i maschi, ed erede del granduca Guglielmo Ernesto di Sassonia-Weimar-Eisenach e della sua seconda moglie, la principessa Feodora di Sassonia-Meiningen (1890-1972). Il regno di suo padre ebbe termine il 9 novembre 1918, a seguito della rivoluzione tedesca. Quando suo padre morì il 24 aprile 1923, Carlo Augusto gli successe come capo del casato di Sassonia-Weimar-Eisenach. Fino al 1922 Carlo Augusto era terzo nella linea di successione al trono del regno dei Paesi Bassi.