Карл Вениг родился 30 июля (18 по старому стилю) 1837 года в Ревеле (ныне Таллин), в семье успешного местного музыканта Готлиба Фридриха Венига. Агата Эмилия Фаберже, мать Карла, приходилась родной тётей знаменитому ювелиру Карлу Фаберже, чья серия ювелирных изделий «Яйца Фаберже» до сих пор не даёт спокойно спать коллекционерам по всему миру. В 1848 году семейство Венигов переехало в Санкт-Петербург.
Карл поступил на обучение в Императорскую Академию художеств, последовав примеру старшего брата, где с 1844 года по 1853 год был учеником Фёдор Антонович Бруни. За время своей учёбы в Академии, Карл зарекомендовал себя первоклассным рисовальщиком и был награждён несколькими ученическими медалями: тремя Малыми серебряными (1854, 1856, 1857), двумя Большими серебряными (1856, 1857), Малую золотую за программу «Агарь в пустыне» (1852), и Большую золотую медаль за программу «Эсфирь перед Артаксерксом» (1853).
В 1853 в качестве пенсионера Академии на шесть лет отправился в Европу, он поселился в Риме и изучал итальянскую живопись периода её расцвета. Здесь он подпадает под влияние И.Ф. Овербека. В Риме им написана для академической выставке в 1860 году картина «Положение во гроб», доставившая ему в том же году звание академика. В 1862 году Академия признала его профессором исторической живописи за картину «Два ангела возвещают гибель городу Содому», в том же году ему было поручено преподавать рисование в классах академии. Карла назначили адъюнкт-профессором (1869), а в 1876 году – штатным профессором второй степени по живописи и в 1888 году — штатным профессором первой степени. Вместе с Крамским Карл участвовал в росписи главного купола Храма Христа Спасителя в Москве – «Рождество Богородицы», «Успение», 16 фигур святых и две картины, исполненные по картонам Ф.А. Бруни – «Преображение» и «Воскресение». Вениг – один из наиболее значительных представителей академического искусства в России второй половины XIX века. Основную часть его творческого наследия составляют картины на темы русской истории, библейские и литературные сюжеты «Последние минуты Григория Отрепьева» (1879), «Иоанн Грозный и его мамка» (1886), «Покорение Казани» (1899). Реже он обращался к портрету. Картины Венига отличаются чёткостью рисунка и ясностью композиционного построения, в некоторых из них нашли отражение реалистические тенденции. Сыновья Карла Григорий, Александр и Павел – также стали живописцами.
Карл Вениг участник выставок с 1852 года.
Произведения Карла Венига находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Государственном Русском музее, Государственной Третьяковской галерее, Научно-исследовательском музее Российской Академии художеств, Саратовском государственном художественном музее им. А.Н. Радищева, Московском Публичном Музее, Нижегородском художественном музее, Харьковском художественном музее, Днепропетровском художественном музее и других.
Карл Вениг умер весьма рано – в 1872 году. Что послужило причиной его смерти неизвестно. Похоронен в Петербурге на кладбище Воскресенского Новодевичьего монастыря; могила не сохранилась.
