Με γενάρχη της οικογένειας τον Στέφανο Καραθεοδωρή (γιατρό του σουλτάνου, ιδρυτή και καθηγητή της αυτοκρατορικής ιατρικής σχολής της Κωνσταντινούπολης, ο οποίος μιλούσε δεκαεπτά γλώσσες) και πατέρα τον διπλωμάτη της Οθωμανικής Αυτοκρατορίας, Στέφανο, ο Κωνσταντίνος χάνει τη μητέρα του σε ηλικία έξι ετών.

Σπουδές
Σπουδάζει σε ιδιωτικά σχολεία του Βελγίου, ενώ στις δύο τελευταίες σχολικές τάξεις κερδίζει αντίστοιχους μαθηματικούς διαγωνισμούς της χώρας, με τη δεύτερη φορά μάλιστα το βραβείο να απονέμεται μόνο σε αυτόν, καθώς κανένας άλλος δεν μπορούσε να λύσει το πρόβλημα. Παρότι ξεχωρίζει στα μαθηματικά, παίρνει πτυχίο πολιτικού μηχανικού από στρατιωτική σχολή του Βελγίου. Το καλοκαίρι του 1895 επισκέπτεται την Ελλάδα, όπου γνωρίζει τον Ελευθέριο Βενιζέλο και συμμετέχει στον σχεδιασμό δρόμων της Σάμου. Δύο χρόνια αργότερα βρίσκεται στην Αίγυπτο και εργάζεται ως μηχανικός στο φράγμα του Ασουάν.
Γύρω στο 1900 εγκαταλείπει, σε ηλικία 27 ετών, το επαγγελματικά εξασφαλισμένο μέλλον του πολιτικού μηχανικού για να σπουδάσει μαθηματικά, απόφαση που συναντά τις αντιδράσεις οικογένειας και φίλων. Ετσι, σπουδάζει στο διάσημο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν και, πριν ολοκληρώσει τις σπουδές του, αναγορεύεται υφηγητής, κάτι που συμβαίνει για πρώτη φορά στην ιστορία του πανεπιστημίου.
Η σχέση του με την Ελλάδα διέπεται αποκλειστικά από το συναίσθημα και καθόλου από τη μαθηματική λογική. Σταθερός παρονομαστής όλων των προσπαθειών του να μεταφέρει την υψηλή επιστημονική του κατάρτιση στη χώρα είναι η πίκρα και η απογοήτευση. Η πρώτη προσέγγιση με την ελληνική πραγματικότητα γίνεται το 1908, όταν επισκέπτεται την πατρίδα της καρδιάς του ζητώντας να εργαστεί στο πανεπιστήμιο ή σε στρατιωτική σχολή. Του προτείνεται, βαριεστημένα, θέση δημοδιδασκάλου σε σχολείο της Μακεδονίας. Ετσι, αποδέχεται μία από τις προτάσεις που του είχαν γίνει από μεγάλα ξένα πανεπιστήμια. Την ίδια χρονιά παντρεύεται την 24χρονη Ευφροσύνη, με την οποία αποκτά δύο παιδιά, τον Στέφανο και τη Δέσποινα.

Πρόταση
Το 1911 ο Βενιζέλος τον καλεί να συμμετάσχει στην κριτική επιτροπή των υποψήφιων καθηγητών της Φυσικομαθηματικής Σχολής, ενώ το 1913 προτείνει την ίδρυση πανεπιστημίου στη Θεσσαλονίκη. Το 1920, και ενώ πλέον ο Καραθεοδωρή μεσουρανεί στην ευρωπαϊκή μαθηματική κοινότητα, κατέχοντας τη σημαντικότερη μαθηματική έδρα της Ευρώπης στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου, δέχεται νέα πρόταση από τον Βενιζέλο: να αναλάβει θέση τακτικού καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και να οργανώσει το Πανεπιστήμιο Σμύρνης.
Το σχέδιο τον ενθουσιάζει και αρχίζει να ετοιμάζει μεθοδικά το πανεπιστήμιο που θα αποτελούσε φάρο του ελληνισμού του πνεύματος στην Ανατολή ή, όπως του άρεσε να το ονομάζει, «Φως εξ Ανατολών». Η Μικρασιατική Καταστροφή ανατρέπει όλα τα μεγαλεπήβολα οράματα, αλλά αναδεικνύει την αλτρουιστική πλευρά του χαρακτήρα του. Βλέποντας την καταστροφή να έρχεται, απομακρύνει όλο το προσωπικό του πανεπιστημίου, λέγοντάς τους με τρεμάμενη φωνή: «Φίλοι μου, οι Τούρκοι ένοπλοι έφτασαν προ των πυλών. Δυστυχώς, το όραμα της Μεγάλης Ελλάδος, για μία ακόμη φορά, δύει», και τους εφοδιάζει με χρήματα και συστατικές επιστολές. Εν συνεχεία απομακρύνει με ασφάλεια από τη Σμύρνη το πλούσιο εργαστηριακό υλικό και τα σπάνια βιβλία της βιβλιοθήκης του πανεπιστημίου και κλειδώνει τελευταίος, κλαίγοντας, την πύλη του ιδρύματος.
Επιστρέφοντας στην Αθήνα, ο ιδιοφυής μαθηματικός αναλαμβάνει θέση τακτικού καθηγητή της «Ανωτέρας Μαθηματικής Αναλύσεως» στο Πανεπιστήμιο Αθηνών, ενώ διατελεί και καθηγητής Μηχανικής στο Πολυτεχνείο. Η εμπάθεια και η μικροπρέπεια των συναδέλφων του στο μαθηματικό τμήμα της Σχολής τούς οδηγούν να τον υποχρεώσουν να διδάσκει μαθηματικά σε πρωτοετείς φοιτητές της Χημείας. Φεύγει και πάλι απογοητευμένος από τη χώρα. Αποδέχεται την ασφυκτική πίεση του Πανεπιστημίου του Μονάχου να αναλάβει εκεί καθηγητική θέση, από την οποία συνταξιοδοτείται κάποια χρόνια αργότερα.
Νέα πρόσκληση
Το 1930 δεν ακούει τις συμβουλές των φίλων του να μη βάλει ξανά στο κεφάλι του «στέφανον εξ ακανθών για την Ελλάδα» και βρίσκεται στην Αθήνα, αποδεχόμενος, πάλι, πρόσκληση του Ελευθερίου Βενιζέλου να αναδιοργανώσει τα πανεπιστήμια Αθηνών και Θεσσαλονίκης. Αυτή τη φορά, όμως, προνοεί και δεν εγκαταλείπει την καθηγητική έδρα στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Δικαιώνεται δύο χρόνια αργότερα, όταν η πτώση της κυβέρνησης οδηγεί στην απομάκρυνσή του από τη θέση. Παρά την πίκρα του, ο Καραθεοδωρή, μέχρι το τέλος της ζωής του, το 1950, θα ασχολείται -από μακριά πια- με την ελληνική πραγματικότητα, βοηθώντας με κάθε τρόπο την ελληνική επιστημονική κοινότητα, αλλά, πάνω απ’ όλα, παραμένοντας πάντα ένας πιστός και ανιδιοτελής πατριώτης. Λάτρης της Ιστορίας, υποστηρικτής της ιδέας της Μεγάλης Ελλάδας, της ελληνικής γλώσσας -της μοναδικής που ακουγόταν στο σπίτι του- και πιστός Ορθόδοξος χριστιανός, πηγαίνει οικογενειακά κάθε Κυριακή στην εκκλησία.
Η σχέση του με τον Αϊνστάιν

Σε πολλούς Ελληνες ο Κωνσταντίνος Καραθεοδωρή έγινε γνωστός από τη μυθολογία που αναπτύσσεται τα τελευταία χρόνια περί της σχέσης του με τον Αλμπερτ Αϊνστάιν, φτάνοντας μάλιστα στο σημείο να λέγεται ότι ο τελευταίος… «κλέβει» από τον πρώτο τη Θεωρία της Σχετικότητας. Στην πραγματικότητα, οι δύο κορυφαίοι επιστήμονες διατηρούσαν, μέχρι το τέλος της ζωής τους, μια βαθιά επιστημονική φιλία, βασισμένη στην αμοιβαία εκτίμηση του ενός για το έργο του άλλου, κάτι που προφανώς δεν θα μπορούσε να συμβεί αν ο ένας είχε ιδιοποιηθεί το κορυφαίο επιστημονικό έργο του άλλου. Οσοι υποστηρίζουν κάτι τέτοιο, στην ουσία υποβαθμίζουν την αυτόνομη επιστημονική δράση του Καραθεοδωρή, η οποία από μόνη της τον κατατάσσει στους κορυφαίους επιστήμονες του κόσμου τον προηγούμενο αιώνα. Θεωρούμε, μάλιστα, ότι αυτές οι δοξασίες θα ενοχλούσαν και τον ίδιο, αφού, ως αρχαιολάτρης, θα χαιρόταν περισσότερο να τον αποκαλούν σημαντικότερο Ελληνα μαθηματικό από την αρχαιότητα, συνεχιστή του Πυθαγόρα ή νέο Ευκλείδη, παρά να τον συγκρίνουν με κάποιον σύγχρονο επιστήμονα.
Τα παραπάνω δεν σημαίνουν ότι ο Αϊνστάιν δεν ζητούσε την επιστημονική γνώμη και κατάρτιση του Καραθεοδωρή, όπως προκύπτει από τη συχνή αλληλογραφία τους. Ο, ατεκμηρίωτος φυσικά, αστικός μύθος βάζει μάλιστα τον Αϊνστάιν να λέει τα παρακάτω λόγια σε μια φανταστική -στην κυριολεξία- συνέντευξη Τύπου: «Κύριοι, ζητήσατε να σας απαντήσω σε χίλια δυο πράγματα· κανείς σας, όμως, δεν θέλησε να μάθει ποιος ήταν ο δάσκαλός μου, ποιος μου έδειξε και μου άνοιξε τον δρόμο προς την ανώτερη μαθηματική επιστήμη, σκέψη και έρευνα. Και για να μην σας κουράσω, σας το λέω έτσι απλά, χωρίς λεπτομέρειες: μεγάλος μου δάσκαλος υπήρξε ο αξεπέραστος Ελληνας Κωνσταντίνος Καραθεοδωρή, στον οποίο, εγώ προσωπικά, αλλά και η μαθηματική επιστήμη, η φυσική και η σοφία του αιώνα μας, χρωστάμε τα πάντα».