Lipót herceg és Erzsébet Sarolta hercegné házasságából tizenhárom gyermek született, Károly Sándor volt a tizenkettedik, öt fiú közül a negyedik. Csak öt gyermek, ebből három fiú érte meg a felnőttkort.
Lipót (1699–1700), kisgyermekként meghalt.
Erzsébet Sarolta (1700–1711), gyermekként meghalt.
Lujza Krisztina (*/† 1701), születésekor meghalt.
Mária Gabriella Sarolta (1702–1711), gyermekkorban meghalt.
Lajos (1704–1781), Lotaringia grófja, aki 1730-ban Henrietta gehringi grófnőt vette feleségül.
Jozefa Gabriella (1705–1708), kisgyermekkorban meghalt.
Gabriella Lujza (1706–1709), kisgyermekkorban meghalt.
Lipót Kelemen (Clemens) Károly (1707–1723), serdülőként meghalt himlőben.
Amikor bátyja, Ferenc István herceg 1736-ban feleségül vette Mária Terézia osztrák főhercegnőt, VI. Károly császár (1685–1740) legidősebb leányát, Károly Sándor herceg is Bécsbe költözött, és 1737-ben belépett a Birodalmi hadseregbe. Az 1737–1739-es török háborúban Generalwachtmeister (kb. vezérőrnagyi) rangot kapott. VI. Károly császár halálát követően örököse, Mária Terézia osztrák uralkodó főhercegnő 1740. november 22-én az osztrák hadsereg tábornagyává (Generalfeldmarschall) nevezte ki. A hamarosan megindult osztrák örökösödési háború éveiben a herceg szinte állandóan harctéri szolgálatban állt.
Bécsben megismerkedett Mária Anna osztrák főhercegnővel (1718–1744), VI. Károly császár leányával, Mária Terézia húgával. Több éves várakozás után, 1744. január 7-én az Ágoston-rend bécsi templomában (Augustinerkirche) megtartották esküvőjüket. Mivel a vőlegény és menyasszony egymás közeli rokonai voltak, házasságukhoz külön pápai felmentést (diszpenzációt) kellett kérniük.
Házasságával Károly Sándor két jogcímen is sógora lett a Mária Terézia császárnénak: Egyfelől a császárné férjének öccse volt, másfelől a császárné húgának férje lett. Az esküvő után két és fél hónappal, 1744. március 26-án a házaspár ünnepélyesen bevonult Brüsszelbe, ahol Károly Sándor elfoglalta németalföldi főkormányzói hivatalát. Alig két hónappal később Károly Sándort átvette a rajnai osztrák hadsereg parancsnokságát, és hadba vonult, feleségét hátrahagyta Brüsszelben. Itt született meg 1744. december 16-án egyetlen gyermekük, aki születése órájában meghalt. A fiatal anya, Mária Anna hercegné is meghalt gyermekágyi lázban, még ugyanazon a napon.
A hétéves háború (1756–1763) során Károly ismét II. Frigyes porosz király ellen vonult az osztrák hadsereggel, de Prága alatt vereséget szenvedett. 1757-ben Breslau mellett győzelmet aratott egy kisebb porosz csapat felett, de még ebben az évben, december 5-én a leutheni csatában II. Frigyes 29 000 főnyi serege szétverte a háromszoros túlerőben lévő, 87 000 fős császári sereget, amelyet maga Károly Sándor herceg főhadparancsnok irányított. Ez volt a hétéves háború egyik legnagyobb katonai veresége. Nyilvánvalóvá lett, hogy a herceg nem alkalmas a főhadparancsnoki tisztségre. A haditanács követelésére leváltották, helyére Leopold Joseph von Daun tábornagyot nevezték ki. A keserű pirulát a Katonai Mária Terézia-rend Nagykeresztjének adományozásával édesítették meg.
Brüsszelbe visszatérve jó diplomáciai érzékkel, kiegyensúlyozottan képviselte a császári ház érdekeit, de nem sértette meg a dél-németalföldiek kiváltságait sem. Bátorította a felvilágosodás szellemének terjedését. Fejlesztette az ipart, támogatta a kereskedelmet, pártolta a művészeteket, jólétet teremtett a rábízott tartományban. 1772. december 16-án az uralkodó nevében megalapította a Brüsszeli Császári és Királyi Tudományos és Irodalmi Akadémiát (Académie impériale et royale des Sciences et Belles-Lettres de Bruxelles), a mai Belga Királyi Tudományos Akadémia elődjét, amely máig megőrizte népszerű nevét: Mária Terézia Akadémia (Académie Thérésienne). Tervureni kastélyában különféle műszaki és ipari kísérletek elvégzését kísérte figyelemmel. Munkájában egymást követő teljhatalmú miniszterei segítették: Botta-Adorno márki (1749–1753), majd Cobenzl grófja (1753–1770), végül Georg Adam von Starhemberg herceg (1770–1780).
Németalföld osztrák főkormányzói közül ő volt a legnépszerűbb. Erről tanúskodik egész alakos szobra (Verschaffelt műve), amelyet 1775-ben a Brabanti Rendek állítottak tiszteletére, saját költségükön, az újonnan épült brüsszeli Lotaringia téren (Place de Lorraine) (amelyet később, a Belga Királyság kikiáltásakor Királyi térré (Place Royale) kereszteltek át).
A Német Lovagrend nagymestere
A Német Lovagrend nagymesterének címere (Hochmeisterkreuz)
1761-ben, amikor a Német Lovagrend 51. nagymestere, Kelemen Ágost bajor herceg, Köln hercegérseke és választófejedelme elhunyt, Károly Sándor herceg volt az egyetlen esélyes jelölt a megüresedett nagymesteri székre. Bécsből erős politikai támogatást kapott, így 1761. május 3-án egyhangúlag megválasztották a Német Lovagrend 52. nagymesterének. Mivel még nem volt tagja a Rendnek, felmentést (diszpenzációt) kapott az egyéves próbaidő alól, rögtön lovaggá ütötték, és másnap a mergentheimi kastélytemplomban beiktatták a nagymesteri méltóságba. Összes eddigi kitüntetéseit vissza kellett adnia, ahogy a Rend alapszabálya ezt megkövetelte.
Lelkiismeretes vezetőként saját kezébe vette a Rend ügyeit, különös gondot fordított a Rend pénzügyeinek rendbetételére. Ezt személyesen felügyelte, az intézkedéseket a hetente összehívott Titkos Értekezleten határozta meg. A vezető testület (Grosskapitel) 1769-es ülésén saját 13 éves unokaöccsét, Miksa Ferenc főherceget (1756–1801) megválasztatta koadjutornak, azaz a nagymester kijelölt utódjának. Miksa Ferencet 1770. július 9-én az Ágoston-rend bécsi templomában (Augustinerkirche) Károly Sándor maga ütötte lovaggá. A praktikusan gondolkodó lotaringiai herceg végrendeletében utódjelöltjét tette meg általános örökösének, és 580 000 guldent hagyott rá.
Az életvidám Károly Sándor herceg, aki a művészetek kifinomult ismerője volt, a Lovagrend Nagymesterének tennivalóit nem tekintette fő érdeklődésének, inkább egyfajta pótlólagos jövedelemforrásnak, amelyet befolyásos birodalmi hercegként, Bécs támogatásával élvezhetett, és ezáltal is szélesíthette kapcsolatait. Főkormányzóként politikai tevékenységét teljes mértékben a uralkodóház intenciói szerint végezte, egyszerre igyekezett megszilárdítani és hatékonnyá tenni a Lovagrendet, mint nemesi testületet, és szolgálni a birodalmi és helyi hatalom alacsonyabb rangú köreit. Hivatali ideje alatt mindössze háromszor látogatott el a Rend központjába (1761, 1764 és 1765-ben), hivatali ügyeit mindenkor Brüsszelből intézte. Mégis tudatában volt a Renddel szembeni kötelezettségeinek. Erőskezű, de békülékeny vezetőnek tartották.
Lovasszobra a Brüsszel főterén (Grand-Place) álló Sörfőzők Háza ([1]) oromzatán.
Károly Sándor lotaringiai herceg, Németalföld helytartója, a Német Lovagrend nagymestere 1780. július 4-én hunyt el a Brüsszel melletti Tervuren kastélyban. Július 10-én temették el a brüsszeli Szent Gudula templom (Église Collégiale Sainte-Gudule) kriptájában.
Lotaringiai Károly Sándor herceg címere megtalálható a brüsszeli Segítő Szűz Mária templomon (Église Notre-Dame de Bon Secours), és a baden-württembergiHeuchlingen kastélyán, amely a Német Lovagrend tulajdona.
A herceg tervureni kastélya a 19. század közepe óta a Kongó-Múzeum gyűjteményének ad otthont, mai neve Királyi Közép-Afrika Múzeum.
Michel Dugast Rouillé: Les maisons souveraines de l'Autriche, Babenberg, Habsbourg, (Habsbourg-d'Espagne), Habsbourg-Lorraine, (Lorraine), a szerző kiadása, Párizs, 1967
Michèle Galand: Charles de Lorraine, gouverneur général des Pays-Bas autrichiens (1744-1780), Éditions de l'Université de Bruxelles, Brüsszel, 1993 (Az Études sur le XVIIIème siècle. (Tanulmányok a 18. század]ról) gyűjteményéből, XX. kötet
Hervé Hasquin (és szerzőtársai): Dictionnaire d'histoire de Belgique. Vingt siècles d'institutions, les hommes, les faits, Didier Hatier, Brüsszel, 1988