Nasceu em Beja em 1970, tendo-se licenciado em Engenharia Civil pelo Instituto Superior Técnico, em 1993. O último ano do percurso universitário foi feito na École Nationale des Ponts et Chaussées de Paris (1993). Em 1998, foi para os E.U.A onde ingressou na Universidade de Harvard e obteve um Master in Business Administration (1998/2000).
Começou a sua carreira no grupo Suez Lyonnaise des Eaux, em França, onde viveu cinco anos. Trabalhou vários anos na City, nomeadamente no banco de investimento Goldman Sachs.
Em 2004, regressa a Portugal para chefiar a empresa Aguirre Newman, onde foi também membro da Comissão Executiva do Grupo, em Espanha. Em 2008, criou a sua própria empresa de gestão de investimentos.
Integrou a equipa do Partido Social Democrata que negociou o Orçamento do Estado de 2011, e foi um dos representantes do partido nos encontros com a delegação da União Europeia e do Fundo Monetário internacional, no âmbito do programa de ajustamento económico e financeiro.
Em 2011, foi eleito deputado pelo círculo de Beja e tornou-se Secretário de Estado Adjunto do Primeiro-Ministro do XIX Governo Constitucional, com responsabilidade pela coordenação do programa de ajustamento.
Em 2014, foi nomeado pelo Primeiro-Ministro para membro da Comissão Europeia. É o comissário responsável pela Investigação, Inovação e Ciência gerindo um dos maiores programas de ciência e inovação do mundo (77 mil milhões de euros). Foi o arquiteto da proposta para um futuro programa Horizonte Europa de 100 mil milhões de euros, que entrará em vigor em 2021. É o quinto membro da comissão europeia de nacionalidade portuguesa desde a entrada de Portugal em 1986, na então CEE.
Em 2019, entrou como administrador da Fundação Calouste Gulbenkian. É também vice-presidente do Instituto Jacques Delors em Paris.
Foi co-autor de várias publicações na área da Inovação e Ciência destacando-se o artigo "Open Innovation: Research, Practices and Policies" na prestigiada California Management Review, co-assinado com o criador do conceito de Open Innovation Henry Chesbrough.
Em 2014, foi eleito o mais jovem membro da Academia de Engenharia de Portugal. É também membro honorário da Academia de Ciência Africana. Em 2016, recebeu um Doutoramento Honoris Causa em Direito pela Universidade de Cork na Irlanda, e em 2018 o Doutoramento Honoris Causa da ESCP Europe (École Supérieure de Commerce de Paris).
A 26 de setembro de 2021, Carlos Moedas foi eleito Presidente da Câmara Municipal de Lisboa.
Presidente da Comissão Executiva (2022 - 2024)