Han var sønn av Frederik IV av Slesvig-Holsten-Gottorp og Hedvig Sophia av Sverige, og levde sine første 19 år i Sverige som svensk prins. Faren døde i slaget ved Klissow i juli 1702, hvoretter Carl Frederiks mor og onkelen Christian August av Slesvig-Holsten-Gottorp overtok styret for den mindreårige Carl Frederik. Den egentlige makten lå dog hos administratorer i selve hertugdømmet. I 1713 besatte danske tropper de gottorpske delene av Hertugdømmet Slesvig, og ved freden i Frederiksborg i 1720, overtok Danmark de hertugelige delene av Slesvig. Den hertugelige residens ble deretter flyttet til Kiel slott. Ved sin onkel Karl XIIs død i Frederikshald befant Carl Frederik seg i krigsleiren samme sted, men manglet både rådgivere og handlekraft til å utnytte situasjonen til egen fordel.