Carlo Augusto di Nassau-Weilburg (tedesco: Karl August; Weilburg, 17 settembre 1685 – Weilburg, 9 novembre 1753) è stato dal 1719 al 1753 principe di Nassau-Weilburg.
Carlo Augusto era il secondo figlio maschio di Giovanni Ernesto di Nassau-Weilburg e Maria Polissena di Leiningen-Dagsburg-Hartenburg.
In gioventù, lavorò come diplomatico per la Sassonia; per un po' fu l'ambasciatore sassone a Parigi. Succedette a suo padre come Principe di Nassau-Weilburg il 27 febbraio 1719.
Carlo Augusto sposò il 17 agosto 1723 a Wiesbaden, la principessa Augusta Federica di Nassau-Idstein (1699–1750), figlia di Giorgio Augusto, conte di Nassau-Idstein.
Nel 1733 e nel 1734, comandò le truppe imperiali sul Reno come generale di cavalleria imperiale per conto di Carlo VI d'Asburgo.
Nel 1737 assunse il titolo di principe, che era stato concesso alla famiglia nel 1688. Nel 1688 la famiglia, però, non aveva ottenuto il seggio principesco nella Dieta imperiale, e in segno di protesta, non aveva usato il suo titolo. Nel 1737, la sede nella dieta fu finalmente assegnato e Carlo Augusto iniziò a usare il suo titolo di Principe.
Carlo Augusto morì nel 1753 e fu sepolto nella cappella del castello di Weilburg. Gli succedette il figlio Carlo Cristiano.
Carlo Augusto e la principessa Augusta Federica di Nassau-Idstein ebbero sette figli:
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