Carlo Mense zählt zu den bedeutendsten Vertretern des Rheinischen Expressionismus und der Neuen Sachlichkeit. Und ist neben seinem Schwager Max Nienhaus (*1891) ein künstlerisches Talent seiner Familie.
Mense begann zunächst eine Kaufmannslehre, die er jedoch recht schnell wieder abbrach. Anschließend trat er in den Militärdienst ein und widmete sich der Malerei.
1906-08 begann er sein Studium unter Peter Johann Theodor Janssen (1844-1908) an der Kunstakademie in Düsseldorf. Im Anschluss studierte er einige Monate bei Lovis Corinth (1858-1925) in Berlin und 1909-10 an der Kunstschule in Weimar unter Hans Olde (1855-1917).
Mit seinem Umzug nach Berlin erhielt er unter Einfluss seines älteren Bruders Rudolf Mense enge Kontakte zur national-konservativen Lebensreformgemeinschaft auf Monte Verità in Ascona.
1910 kehrte er ins Rheinland zurück. Dort trat er der Cölner Secesssion und dem Gereonsklub bei. Auch wurde er unter dem Pseudonym „Otto Marto“ Mitglied der Werkleute auf Haus Nyland.
Er nahm an einigen bedeutenden Ausstellungen teil. 1912 an der Sonderbund-Ausstellung  und 1913 an der von August Macke (1887-1914) initiierten Ausstellung der Rheinischen Expressionisten.
In dieser Zeit lernte er Herwarth Walden (1878-1941) kennen und begann für dessen Zeitschriften „Die Aktion“ und „Der Sturm“ grafische Werke und Titelblätter zu entwerfen.
1914 reiste er mit seinem Freund Heinrich Maria Dravringhausen (1894-1970) nach Ascona.
Im Ersten Weltkrieg wurde er als Soldat eingezogen. In Osteuropa entstand sein zeichnerisches Werk „Russland war so schön, dass ich Gott danke, den Krieg mitgemacht zu haben; nur dort gibt es Wälder, Menschen, Tiere, Dörfern von Ewigkeit!“.
Nach Ende des Krieges trat er den Künstlervereinigung „Das Junge Rheinland“ und der „Novembergruppe“ bei. Außerdem gehörte er zu den Mitbegründern der „Gesellschaft für Kunst“, die die gemeinsame Zeitschrift „Der Strom“ herausgaben.
Daraufhin erhielt er seine ersten Einzelausstellungen in der Galerie Neue Kunst von Hans Goltz in München und im Kunstsalon Goldschmidt in Frankfurt.
1919 heiratete er Vera Baske und hielt sich danach vermehrt in München auf. Dort hielt er engen Kontakt zu Paul Klee (1879-1940) und zur Schwabinger Kunstszene. In dieser Zeit zählten außerdem Oskar Kokoschka (1886-1980), Georg Schrimpf (1889-1938), Alexander Kanoldt (1881-1939), Richard Seewald (1889-1976) und Lotte Printzel (1887-1952) zu seinem engeren Freundeskreis. Er unternahm viele Reisen nach Italien.
1925 wurde er an die Akademie in Breslau berufen und unterhielt dort seine Meisterklasse. Zu seinen Schülern zählten unter anderem Martin Domke (1911-2005), Jonny Friedlaender (1912-1992) und Franz M. Jansen (1885-1958). An der Akademie befreundete er sich mit Oskar Schlemmer (1888-1943) und Oskar Moll (1875-1947).
Mit Annahme seiner Berufung nahm er an der Ausstellung der Neuen Sachlichkeit in der Kunsthalle Mannheim teil. Nach Schließung der Akademie 1932 wurde ihm 1933 der Rom-Preis der Deutschen Akademie Rom Villa Massimo und das dazugehörige Stipendium verliehen.
Auch wenn er sich während der Zeit des Dritten Reiches dem System anpasste, wurden 1937 seine Werke teilweise als entartet eingestuft. Systemkonforme Ausstellungen durfte er jedoch weiterhin beschicken.
1939 wurde er zum Kriegsdienst eingezogen, aus dem er 1943 wegen seiner Rheuma-Erkrankung ausschied. Im Jahr darauf erhielt er vermutlich einen Lehrauftrag an der Hermann-Göring-Meisterschule für Malerei in Kronenburg.
1953 beteiligte er sich mit einigen Werken an der dritten Deutschen Kunstausstellung in Dresden.
1961 wurde ihm für seine Arbeit das Bundesverdienstkreuz verliehen.
Er debütierte mit fauvistischen Adaptionen.
Ab 1912 bildete er einen kubo-futuristischen Malstil aus, der stark von Robert Delaunay (1885-1941) inspiriert wurde. Ebenso expressiv-lineare Druckgrafik zu Großstadtthemen im Zusammenhang mit seinen Veröffentlichungen in Waldes Zeitschriften zählten zu seinem Repertoire.
Unter Einfluss von Schlemmer schuf er 1930 eine geschlossene Werkgruppe mit abstrahierenden Kompositionen.
Nach seiner Entlassung aus seinem Lehramt an der Akademie in Breslau kehrte er in seinem Werk zur Gegenständlichkeit zurück und schuf zunehmend natur-philosophisch intendierte Landschaften, Portraits, Stillleben, Akte und Figurenbilder mit einem idyllisch-heroisierenden Potenzial. Neuromantische Monumentalität, die märchenhaft-romantisch erschienen, wurden für ihn charakteristisch.