Als er noch nicht mal zwei Jahre alt war, starb sein Vater, damals gerade 20 - jährig. Seine Mutter, die Herzogin Anna Amalia führte, selber erst 18 Jahre alt, die Regentschaft des Herzogtums. So lebte er bis 1772 - er ist 15 Jahre alt - unter der Regentschaft seiner Mutter. Diese holte zu seiner Erziehung den damals schon bekannten Gelehrten und Dichter Christoph Martin Wieland nach Weimar. Er erzog ihn in humanistischem Sinne. In seiner späteren sozialstaatlichen Auffassung, in der Reformierung des Schul--, Kirchen- und Rechtswesens und in der Gewährung der ersten landständischen Verfassung (1816) fand diese seinen Niederschlag. Weimar und Jena - mit der Universität - machte der Herzog - zusammen mit Herder, Schiller u.a - zum Mittelpunkt des damaligen deutschen Geisteslebens. 
Carl August, umsichtig und in aufklärerischem Geiste von Christoph Martin Wieland und Karl Ludwig von Knebel erzogen, begegnete Goethe erstmals im Dezember 1774 in Frankfurt am Main. Im Spätherbst des folgenden Jahres gelang es ihm, den acht Jahre älteren, bereits weithin berühmten Dichter des "Götz" und "Werther" zur Umsiedlung an seinen Hof nach Weimar zu bewegen. Goethe entschied sich dazu im Übrigen gegen den ausdrücklichen Wunsch seines Vaters. 
Zwischen Carl August und Goethe entwickelte sich rasch eine intime, von uneingeschränktem Vertrauen beider Seiten getragene Freundschaft, die über mehr als ein halbes Jahrhundert dauerte. In ihren "Geniejahren" suchte der etwas ältere Goethe -nicht immer erfolgreich [s. Anekdote ]- mäßigend auf Carl Augusts Ungestüm einzuwirken. In ihren Interessen einander entgegengesetzt - der eine leidenschaftlicher Jäger und Frauenheld, der andere Dichter und Naturforscher - verstanden sie es doch, sich  behtusam und zum beiderseitigen Vorteil zu ergänzen. 
Goethe begleitete den hochbegabten, freilich gemäßigt ehrgeizigen Großneffen Friedrichs II. von Preußen auf verschiedenen Reisen, so in die Schweiz, nach Berlin, Schlesien und vor allem nach Frankreich ("Campagne in Frankreich", 1792). Einige Gelegenheitsgedichte zeugen von Goethes tief  empfundener Dankbarkeit und Freundschaft zu seinem fürstlichen Gefährten (etwa "Ilmenau"). Zum 50jährigen Regierungsjubiläum Carl Augusts verfasste Goethe das freimaurerisch inspirierte Logengedicht "Lasst fahren hin..." 
Eine umfangreiche Korrespondenz der beiden Männer zeugt von ihrer Freundschaft und geistigen Nähe, trotz unterschiedlichster Neigungen und Begabungen. 
Der liberale, vielseitig begabte und beliebte Herzog schloss sich als Mitbegründer des Fürstenbundes Preußen an, kämpfte in den Koalitionskriegen gegen Frankreich und wurde 1806 als General Mitglied des Rheinbundes. Zar Alexander I. übertrug Karl August 1813 den Oberbefehl über ein russisches Korps in den Freiheitskriegen.