Karl Filip deltok også selv i det svenske felttoget i Baltikum som Gustav II Adolf innledet i 1621. Sommeren 1621 beleiret svenskene Riga. Stilt overfor faren for å bli stormet og plyndret kapitulerte byen i midten av september. For Karl Filip skulle seiersrusen bli kortvarig. Han ble syk kort etter inntakelsen av Riga og ble fraktet til Narva. Tilstanden hans ble verre, og natten til 25. januar døde prinsen. Det har gjennom et av Gustav Adolfs brev til sin søster Katarina vist seg at kongen sørget dypt over sin bros død.