Michelstaedter nasce a Gorizia, ultimo di quattro figli, da un'agiata famiglia di origini ebraiche. Il padre, Alberto, dirige l'ufficio goriziano delle Assicurazioni Generali ed è presidente del Gabinetto di Lettura goriziano. È un uomo colto, autore di scritti letterari e di conferenze, rispettoso delle usa...nze tradizionali ebraiche, ma solo formalmente, per rispetto borghese: egli è, anzi, un laico, un «tipico rappresentante della mentalità materialistica dell'Ottocento». L'ebraismo non sembra quindi incidere molto sulla formazione culturale di Carlo, che scoprirà solo più tardi e con non poca meraviglia di avere un antenato cabbalista.
Iscritto al severo Staatsgymnasium cittadino, fa propria la rigida Bildung absburgica. Con le traduzioni dal greco e dal latino il giovane Michelstaedter ha i primi approcci con la speculazione filosofica. A iniziarlo sono il suo professore di filosofia, Richard von Schubert-Soldern, fautore del solipsismo gnoseologico, secondo il quale tutto il sapere va ricondotto alla sfera del soggetto; e l'amico Enrico Mreule, ex compagno di classe, che gli fa conoscere Il mondo come volontà e rappresentazione, di cui resterà traccia soprattutto ne La Persuasione e la Rettorica. Nella soffitta di Nino Paternolli, oltre a Schopenhauer, leggerà e discuterà, con gli amici Nino e Rico, i tragici e i presocratici, Platone, il Vangelo e le Upanishad; e poi ancora Petrarca, Leopardi, Tolstoj, e l'amatissimo Ibsen.
Conclusi nel 1905 gli studi ginnasiali, Carlo progetta di iscriversi a giurisprudenza; in seguito abbandona l'idea e si iscrive alla facoltà di matematica dell'Università di Vienna. Ma l'anima è già – per dirla con Leopardi – «nel primo giovanil tumulto» verso un altrove ch'egli non riesce a riconoscere nella ferrea logica matematica. Si iscrive al corso di lettere dell'Istituto di Studi Superiori di Firenze, città in cui vivrà per quasi quattro anni e dove conoscerà, fra gli altri, Gaetano Chiavacci, futuro curatore delle sue Opere, e Vladimiro Arangio-Ruiz, che diventerà in seguito un noto filosofo accademico. Continua a ritrarre, fra tratto espressionistico e schizzo caricaturale, la varia umanità in cui s'imbatte, sia nei mesi di studio che nei periodi di vacanza al mare e in montagna. Scrive moltissimo, in modo quasi ossessivo, dalle lettere ai familiari (in particolare alla sorella Paula) alle recensioni di drammi teatrali. Nel 1909 un evento luttuoso segna la sua vita: la morte, probabilmente per suicidio, del fratello Gino (di dieci anni più vecchio), emigrato a New York. Due anni prima si era suicidata anche una donna da lui amata, Nadia Baraden. Nell'ottobre dello stesso anno l'amico Enrico Mreule parte per l'Argentina. Questa partenza è segnata da un evento significativo, una sorta di passaggio del testimone: Carlo si fa consegnare da Rico la pistola che portava sempre con sé.
Tra il 1909 e il 1910, completati gli esami, ritorna a Gorizia e inizia la stesura della tesi di laurea, assegnatagli dal docente di letteratura greca, Girolamo Vitelli, concernente i concetti di persuasione e di retorica in Platone e Aristotele. La sua attività è febbrile: oltre alla Persuasione scrive anche la maggior parte delle Poesie e alcuni dialoghi, tra cui spicca il Dialogo della salute. Il suo isolamento diventa pressoché totale, mangia pochissimo e dorme per terra, come un asceta; vede solo la sorella e il cugino Emilio. Comunica al padre che dopo la tesi «non avrebbe fatto il professore, ma che appena laureato sarebbe andato al mare», forse a Pirano o a Grado.
Il 17 ottobre 1910, dopo un diverbio con la madre, impugna la pistola lasciatagli da Rico Mreule e si toglie la vita. Sul frontespizio della tesi aveva disegnato una "fiorentina", una lampada ad olio, e aggiunto in greco: apesbésthen, «io mi spensi».