Карло Тодоров Луканов е роден на 1 ноември 1897 г. в Плевен в семейството на видния социалдемократ Тодор Луканов. През 1917 г. става член на БРСДП (т. с.). Завършва Школата за запасни офицери и участва в Първата световна война.
През 1921 г. завършва право в СУ "Св. Климент Охридски". Започва адвокатска практика в Плевен.
След атентата в църквата “Света Неделя” през 1925 г. е осъден на четири и половина години затвор. По-късно е амнистиран и заминава за СССР.
От 1927 до 1944 г. е член на Всесъюзната комунистическа партия (болшевики). През 1936 г. заминава за Испания и до 1939 г. заема ръководни постове в състава на Интернационалните бригади. След завръщането си в Москва работи в Коминтерна, а от 1941 г. - в радио “Христо Ботев”, което е създадено от Задграничното бюро на БРП (к).
След 9 септември 1944 г. Карло Луканов е директор на Българско радио. По-късно става зам.-председател на Държавната планова комисия (1947–1949), председател на Комитета за наука, изкуство и култура (1949), председател на Държавната планова комисия (1949–1952), вицепремиер (1952–1954).
През 1954 г. става член на ЦК на БКП. През периода 1954–1956 г. е посланик в Съветския съюз, Монголия и Финландия. От 1956 до 1962 г. е министър на външните работи в правителството на Антон Югов, а от 1956 до 1957 г. – вицепремиер. От 1963 до 1966 г. е посланик в Швейцария.
Карло Луканов умира в София на 15 юли 1982 г.