Er ist Sohn von Ernst von Weizsäcker, Bruder von Richard von Weizsäcker, Vater von Ernst Ulrich von Weizsäcker.

1929–1993 Studium der Physik in Berlin, Göttingen und Leipzig. Er beschäftigte sich mit der Bindungsenergie von Atomkernen (Bethe-Weizsäcker-Formel, Tröpfchenmodell, 1935) und den Kernprozessen, die im Inneren von Sternen Energie liefern (Bethe-Weizsäcker-Zyklus, 1937/1938).

1957 wurde ihm die Max-Planck-Medaille verliehen.

Carl Friedrich von Weizsäcker setzte sich nach Ende des Zweiten Weltkriegs intensiv mit der Frage der Verantwortung und Ethik in den Naturwissenschaften auseinander. 1979 lehnte Weizsäcker die von Willy Brandt vorgeschlagene Kandidatur zum Bundespräsidenten ab. Stattdessen wird sein Bruder Richard von 1984–1994 Bundespräsident.