Wilhelm Christian Lotz és Antonia Höfflick (Höfflich) nyolcadik gyermekeként született a Homburg vor der Höhe nevű településen, Hessen tartományban. Apja Gusztáv hessen-homburgi herceg kamarásaként (udvarnok, Hofintendant) szolgált. Jelen volt a bécsi kongresszuson is, és amikor Homburg képviselője, Sinclair báró hirtelen elhunyt, rövid ideig ő látta el az ügyvivői feladatokat. Gusztáv herceget, aki osztrák katonai szolgálatban állt, 1817-ben Erdélybe vezényelték a csapataival. Wilhelm Christian Lotz ekkor ismerte meg Budán Höfflich Antóniát (*1802. március 7.), egy budai német patikus lányát, akit 1820-ban feleségül vett. Homburgba költöztek, és házasságukból nyolc gyermek született – közülük Károly volt a legfiatalabb. Az anya katolikus volt, de az apa református, így Károlyt is annak keresztelték.
Wilhelm Lotz 1841. október 1-jén elhunyt. Özvegye a gyerekekkel 1842 nyarán visszatért Magyarországra, és Vácott éltek. Ettől, vagyis nyolcéves korától kezdve az anyja katolikusnak nevelte Károlyt, az iskolai iratokban is így szerepel. A gimnáziumi tanulmányait 1844 őszén kezdte el a váci piarista gimnázium I. grammatikai (nyelvészeti) osztályában, ahol már magyar nyelven folyt a tanítás, majd a következő tanévben (1845/1846) a pesti piarista gimnáziumban folytatta. Itt első eminens volt, a rangsorban harmadikként Kelety Gusztáv következett utána.[5] 1846 őszén a család Pestre, a Képíró utcába költözött, ahol Lotzné magán leánynevelő intézetet vezetett, így Lotz Károly 1846/1847-ben a pesti piarista gimnázium 3. grammatikai osztályában folytatta a tanulást. Itt Hanák János piarista volt a tanára, az egyik osztálytársa pedig Marastoni Jakab festő fia, József, aki később szintén grafikus és litográfus lett.[6] Károly az év végi vizsgán a legkitűnőbben szavalók között szerepelt.[7] Az egyik első fönnmaradt rajza, amely a vegyesházi királyok családfáját ábrázolja, szintén a pesti gimnáziumban készült, 1847-ben.[8]
Ezután nem a piaristáknál, hanem Marastoni Jakab festőiskolájában tanult tovább, emellett zenésznek készült, és szobrászati tanulmányokat is folytatott. A szabadságharc eseményeit helyszín és esemény tekintetében pontos akvarelleken rögzítette. 1852-ben Bécsben folytatta festészeti tanulmányait.
Legjelentékenyebb munkája 1884-ből származik: ez az Operaház Olympus-freskója. Allegorikus alakokat fest a pécsi székesegyház számára, majd hasonló stílusban az MTAszekkó-faliképeit alkotja meg. 1894–95-ben a Kúria és az Országház mennyezetképeinek megalkotásával, Hauszmann Alajos javaslatára, őt bízzák meg. Magyarország apoteózisa c. faliképének centrumában az allegorikus Hungária palástos alakja áll. Ennek párja a Törvényhozás apoteózisa.
Faliképei mellett a maga korában kevésbé értékelték aktfestészetét, amely talán időtállóbb, mint a „főművei”. Mitológiai tárgyú aktképeinek (Bacchánsnők, Psyché, Fürdés után stb.) állandó modellje rajongasig szeretett nevelt lánya, Kornélia volt. Falfestészete már a saját korában másodlagos, „akadémikus neoreneszánsz” művészetnek bizonyult. „Lotz festői képzelete az Olympus fényétől ittasodott meg. A görög–római istenek, hősök, démonok és allegorikus alakok népesítik be képeit. (…) Pollák neoklasszicizmusa és Ybl Miklós neoreneszánsza volt az igazi háttere Lotz Károly rokonszellemű falfestményeinek” – olvassuk a máig egyetlen, az életművének szentelt monográfiában.
Családja
Lényegében 1885-től élettársi viszonyban volt Ónody Annával, Jakobey Károly feleségével. 1890-es válásuk és Jakobey halála után 1891-ben feleségül vette, és együtt éltek Lotz haláláig.[9]
Gyermekei
Mivel Ónody Annának ítélték a gyermekeit, Lotz a nevére vette őket: Ilonát, Viktort és Kornéliát, aki a múzsája, sok képének a modellje lett.