Carl Morgenstern, der Sohn des Landschaftsmalers Johann Friedrich Morgenstern (1777-1844), stammte in vierter Generation aus einer Frankfurter Künstlerfamilie und zählt zu den bedeutendsten Künstlern Frankfurts.
1826-29 machte er eine Ausbildung im Atelier seines Vaters mit Fokus auf Naturstudien und nach niederländischem Vorbild.
Nach seinem Abschluss fertigte er Illustrationen für die Reisebeschreibungen des Afrikaforschers Eduard Rüppell an.
1832-34 studierte er in München bei den außer-akademischen Landschaftsmalern Carl Rottmann (17997-1850) und Christian Ernst Bernhard Morgenstern (1805-1867).
Anschließend reiste er drei Jahre durch Italien. Während dieser Reise entwickelte er eine starke Vorliebe für italienische Motive, sodass er den Spitznamen „Italianist“ erhielt. Weitere Studienreisen unternahm er in die Schweiz, nach Riviera, Holland, Frankreich und Venedig.
Während dieser Zeit machte er Bekanntschaft mit Johan Georg Gmelin (1810-1854), Ernst Willers (1802-1880) und Gustav von Haugk (1804-1861). Einige seiner Sommermonate verbrachte Morgenstern in der Malerkolonie Kronenberg im Taunus, eine der ältesten Malerkolonien Deutschlands, die 1858 von Anton Burger (1824-1905) und Jakob Fürchtegott Dielmann (1809-1885) gegründet wurde. Besonderen Kontakt pflegte er dort zu Dielmann und Richard Fresenius (1844-1903).
Er gab sein künstlerisches Talent an seinen Sohn Friedrich Ernst Morgenstern (1853-1919) weiter, der Landschafts- und Marinemaler wurde.
1866 wurde er schließlich zum Professor ernannt.
Zeit seines Lebens beschäftigte er sich mit idealisierten, lichtdurchfluteten Italienmotiven, die er in natürlicher Farbgebung und realistische Landschafts-Erfassung wiedergab.
Besonders bekannt wurde er neben seinen Darstellungen Italiens für seine Frankfurter Motive, denen er seine besondere Aufmerksamkeit schenkte. 1850 erhielt er unter anderem durch den Frankfurter Senat den Auftrag eine Stadtansicht zu schaffen. Heute ist eine Kopie davon im Frankfurter Städel zu sehen.