Карлус Шагас родился 9 июля 1879 года в Оливейра (Минас-Жерайс), Бразилия. В 1902 году он окончил медицинский институт в Рио-де-Жанейро. Поскольку он специализировался в изучении малярии, то по завершении образования поступил на работу в портовую администрацию города Сантус.
Его задачей на этой должности была борьба с малярией у портовых рабочих. В этом направлении он добился существенных успехов. Усилия он сконцентрировал на профилактике заболеваемости: Шагас предложил программу опрыскивания инсектицидами районов проживания рабочих. В последующем эта методика получила в Бразилии широкое распространение.
С 1906 года Шагас работает в научно-медицинском Институте у Освальда Круза. Для борьбы с малярией он вскоре едет по заданию института в район реки Сан-Франсиску. Здесь Шагас обратил внимание на кровососущего жука Triatoma.
В 1909 году он обнаружил, что этот жук является носителем ранее неизвестного простейшего-паразита из рода Trypanosoma. Шагас выяснил, что жук передает трипаносому через укус. Вскоре он выявил симптомы вызываемых этим простейшим заболевания, и обнаружил их же у местного населения. В результате всех своих исследований Шагас единолично полностью описал новонайденную инфекцию – уникальный случай в истории медицины.
Открытие Шагаса получило широкое признание. Он был дважды номинирован на Нобелевскую премию по медицине.
Карлус Шагас умер 8 ноября 1934 в возрасте 55 лет в Рио-де-Жанейро.