Nel 1863 la Principessa adottò la nipote Vera, figlia del fratello, il Granduca Costantino. Carlo e Olga non ebbero figli, probabilmente a causa dell'omosessualità del futuro re, venuta alla luce successivamente [1].
Re del Württemberg
Il 12 luglio 1864 Guglielmo I morì ed il figlio ascese al trono col nome di Carlo I; il nuovo monarca attuò subito una politica liberale, allontanandosi così dal Primo ministro Von Lieden, che fu poi sostituito da Karl von Varnbüler. Nel dicembre dello stesso anno, il re ristabilì la libertà di associazione e di stampa, che erano state limitate dal padre.
In politica estera si avvicinò alla Prussia, allontanandosi così da uno stretto rapporto con l'Austria; nel 1866 la Confederazione germanica venne sciolta e l'anno dopo fu istituita la Confederazione Tedesca del Nord, a cui però il Württemberg non entrò a far parte, stringendo poi un trattato segreto di reciproca protezione e difesa con gli altri stati tedeschi di media dimensione. Il trattato fu reso pubblico l'anno successivo. Il 26 marzo 1868 fu introdotto il suffragio universale, diretto, segreto e paritario in occasione dell'elezione popolare dei membri delle due camere [2].
Nel novembre 1870, il Württemberg fu l'ultimo stato tedesco ad aderire alla Federazione del Nord ed all'Impero tedesco, l'anno successivo, divenendo uno degli stati federali del nuovo Reich, perdendo però parte della propria sovranità di stato. Il paese perse la sua posizione internazionale, ma acquistò una maggiore sicurezza sia verso l'interno che l'estero. Con la fondazione e l'annessione al Reich, si sviluppò un sentimento antiprussiano nel popolo, nel Governo e nella Corte reale, il Württemberg inoltre continuò ad occuparsi delle finanze e delle ferrovie mentre le Forze armate vennero quasi completamente integrate nell'amministrazione prussiana [3].
Nel 1888 l'omosessualità di Carlo fu occasione di scandalo: il sovrano aveva un amante americano di nome Charles Woodcock [4], che aveva nominato suo Maestro di camera e a cui aveva conferito il titolo nobiliare di Barone di Savage. Carlo si separò poi dall'amante a novembre di quell'anno, a seguito delle critiche pubbliche.