Il étudie la philosophie et les Humanités à l', dont il sort diplômé en 1800. En 1802 il rencontre le naturaliste Alexander von Humboldt et le botaniste Aimé Bonpland, dont l'expédition scientifique les a menés à Quito. Carlos de Montúfar, alors âgé de vingt-et-un ans, entretient d'emblée une relation privilégiée avec Humboldt, et il accompagne par la suite les deux scientifiques pendant toute la suite de leur expédition, parcourant les territoires des États d'aujourd'hui, Équateur, Pérou, Mexique, États-Unis et Cuba, et les accompagne lors de leur retour en Europe. De Paris, où il assiste au sacre de Napoléon, Humboldt regagne Berlin, et Carlos de Montúfar rejoint l'Espagne.