Fuentes nacque a Panama, figlio di un funzionario del corpo diplomatico messicano. Durante l'infanzia seguì il padre nei numerosi spostamenti dovuti alla propria professione, vivendo in diverse capitali americane:Montevideo,Rio de Janeiro,Washington,Santiago del Cile,Quito eBuenos Aires. Durante questi anni continuò in estate a recarsi aCittà del Messico, dove studiava, per non perdere le proprie radici messicane. Durante il proprio soggiorno aSantiago del Cile e aBuenos Aires ebbe la possibilità di conoscere alcuni esponenti di grande livello della cultura latinoamericana, tra i qualiPablo Neruda eDavid Alfaro Siqueiros.
All'età di 16 anni giunse in Messico e, dopo aver frequentato la scuola "preparatoria", iniziò a lavorare come giornalista, collaborando con la rivistaHoy e vincendo il primo premio del concorso letterario delColegio Francés Morelos. In seguito si laureò in diritto presso l'UNAM. Nel1950 viaggiò inEuropa ed effettuò ricerche di diritto internazionale presso l'Università di Ginevra. Nel1959 pubblicò i suoi primi racconti, nel volume intitolatoLos días enmascarados (I giorni mascherati). A fianco di Emmanuel Carballo diresse laRevista mexicana de literatura eEl espectador con Víctor Flores Olea ed Enrique González Pedrero.
Carlos Fuentes descrisse nel suo romanzoLa región más transparente il Messico degli anni quaranta e cinquanta, un paese immaginario, una descrizione del paese sulla quale ritornerà negli anni ottanta e novanta conCristóbal Nonato. Durante gli anni sessanta visse aParigi,Venezia,Londra eCittà del Messico. Nel1962 scrisse il romanzo breveAura. Negli anni settanta lavorò presso ilWoodrow Wilson Institute di Washington. Nel1984 ricevette ilPremio Nazionale delle Scienze e nel 1987 ilPremio Cervantes; nel 1999 il Senato messicano gli conferì laMedaglia d'Onore Belisario Domínguez, nel2008 il Premio Internacional don Quijote de la Mancha e nel2009 la Gran Cruz de la Orden de Isabel la Católica.
Nel1975 accettò l'incarico di ambasciatore del Messico in Francia, come omaggio alla memoria di suo padre. Durante questo periodo, aprì la porta dell'ambasciata ai rifugiati politici latinoamericani e ai rifugiati della resistenza spagnola. Nel1977 rinunciò al suo incarico da ambasciatore per protesta contro la nomina dell'ex presidenteDíaz Ordaz ad ambasciatore del Messico in Spagna, dopo la morte diFrancisco Franco. In diverse occasioni ha espresso il suo favore versoFidel Castro, anche se in altre occasioni mosse delle obiezioni nei suoi confronti. Fu amico personale di importanti personalità della politica mondiale, comeBill Clinton oJacques Chirac, e dell'economia imprenditoriale. Nei confronti della politica messicana, durante le elezioni federali in Messico nel 2006, criticò duramente il candidato di sinistraAndrés Manuel López Obrador, ma dopo i sei anni di governo diFelipe Calderón, si dichiarò favorevole alla candidatura di López Obrador per le elezioni del 2012.
Grande appassionato di cinema, ha scritto sceneggiature per numerosi film, comeLas dos Elenas, cortometraggio basato su un suo racconto omonimo e diretto nel 1964 da José Luis Ibáñez (regista di un altro film,Las dos cautivas, anch'esso basato su una storia di Fuentes),El gallo de oro (1964, insieme aGabriel García Márquez e con registaRoberto Galvadón),Un'alma pura (1965),Tiempo de morir (1966, insieme a Gabriel García Márquez),Pedro Páramo (1967, adattamento di un romanzo diJuan Rulfo, conCarlos Velo come regista),Ignacio (anche questo adattato da un racconto di Juan Rulfo, 1975). Il messicanoJuan Ibáñez girò nel 1965Un'alma pura, nel 1972Sergio Olhovich giròMuñeca Reina e nel 1988Orlando Merino realizzò il mediometraggioVieja moralidad. Questi tre film si basano su racconti omonimi contenuti nel libro di racconti di FuentesCantar de ciegos.
Il suo romanzoLa cabeza de la hindra venne portata sul grande schermo nel 1981 grazie al regista messicanoPaul Leduc, con il titoloComplot Petroleo. Il professore Lanin A. Gyurko, dell'Università dell'Arizona, ha dimostrato nella sua pubblicazioneThe Shattered Screen. Myth and Demythification in the Art of Carlos Fuentes and Billy Wilder (New Orleans: University Press of the South, 2009) eMagic Lens. The Transformation of the Visual Arts in the Narrative World of Carlos Fuentes (New Orleans: University Press of the South, 2010) l'influenza di Carlos Fuentes sul cinema nordamericano e l'influenza del cinema sullo scrittore stesso.
Carlos Fuentes criticò duramente il candidato presidenzialeEnrique Peña Nieto, dicendoPeña Nieto no puede ser presidente a partir de la ignorancia (trad. "Peña Nieto non può essere presidente per la sua ignoranza").[senza fonte]
Morì a Città del Messico, il 15 maggio del 2012, a 83 anni di età, a causa di unaemorragia causata da un'ulcera gastrica. Il 16 maggio ai suoi resti venne reso pubblico omaggio nelPalacio de Bellas Artes; successivamente il corpo fu cremato e deposto alCimitero di Montparnasse diParigi, dove riposano i resti dei suoi figli Carlos e Natasha. Il Consiglio Nazionale per la Cultura e le Arti del Messico ha istituito, nel luglio del 2012, in suo onore, il Premio Internazionale Carlos Fuentes. L'onorificenza, che verrà assegnata annualmente l'11 novembre, giorno di nascita dello scrittore, assegnerà un premio di 250.000 dollari, diventando il secondo premio letterario più importante dell'Ispanoamerica, dopo il Planeta.
Fuentes riuscì a terminare il romanzoFederico en su balcón, il quale venne pubblicato dopo la sua morte.
L'ombelico della luna (La región más transparente, 1958), trad. Germán Quintero e Luigi Dapelo, Milano, Il saggiatore, 2000; Net, 2006
Las buenas conciencias, 1959
Aura (Aura, 1962), trad. di Carmine Di Michele, Milano, Feltrinelli, 1964; Il saggiatore, 1997; Net, 2003
La morte di Artemio Cruz (La muerte de Artemio Cruz, 1962), trad. Carmine Di Michele, Milano, Feltrinelli, 1966; Oscar Mondadori, 1978; Net, 2002
Cantar de ciegos (raccolta di racconti), 1964
Zona Sagrada, 1967
Cambio di pelle (Cambio de piel, 1967), trad. Carmine Di Michele e Atalanta Calidon, Milano, Feltrinelli, 1967
Cumpleaños, 1969
La nueva novela hispanoamericana, 1969
El mundo de José Luis Cuevas, 1969
Todos los gatos son pardos, 1970
El tuerto es rey, 1970
Casa con dos puertas, saggio, 1970
Tutti i soli del Messico (Tiempo mexicano, 1971), trad. Barbara Murgia, Milano, Il saggiatore, 1998
Los reinos originarios: teatro hispano-mexicano, 1971
Cuerpos y ofrendas, 1972
Terra Nostra, 1975
L'ingegnoso Don Chisciotte (Cervantes o la crítica de la lectura, 1976), trad. Ugo Castaldi e Domenico D'Amiano, edizione italiana a cura di Maria Rosaria Alfani, Roma: Donzelli, 2005
La cabeza de la hidra, 1978
Le relazioni lontane (Una familia lejana), 1980, trad. Francesco Ciancabilla, Milano, Il saggiatore, 2002; Net, 2007
Agua quemada, 1981
Orchidee al chiaro di luna (Orquídeas a la luz de la luna), 1982, trad. Enrico Groppali, Genova, Costa & Nolan, 1998
Il gringo vecchio (Gringo Viejo, 1985), trad. Claudio M. Valentinetti, Milano, Mondadori, 1986
Cristóbal Nonato, 1987.
Constancia y otras novelas para vírgenes, 1990
Valiente mundo nuevo, 1990
La campaña, 1990
Ceremonias del alba, 1990
El espejo enterrado, 1992
L'albero delle arance (El naranjo o los círculos del tiempo, 1993), trad. Eleonora Mogavero, Milano, Il saggiatore, 2003
Geografia del romanzo (Geografia de la novela, 1993), trad. Luigi Dapelo, Parma: Pratiche, 1997; Net, 2006
Storie per vergini (El mal del tiempo, 1994), trad. Michela Finassi Parolo, Milano, Il saggiatore, 2007
La frontera de cristal, 1995
Diana o la Cazadora Solitaria, 1996
Gli anni con Laura Díaz (Los años con Laura Díaz, 1999), trad. Ilide Carmignani, Milano, Il saggiatore, 2001
L'istinto di Inez (Instinto de Inez, 2001), trad. Ilide Carmignani, Milano, Tropea, 2004; Net, 2005
In questo io credo (En esto creo, 2002), trad. Eleonora Mogavero, Milano, Il saggiatore, 2005
Il trono dell'aquila (La silla del águila, 2003), trad. Giuliana Carraro e Eleonora Mogavero, Milano, Il saggiatore, 2008
Contro Bush (Contra Bush, 2004), trad. Bruno Arpaia, Milano, Tropea, 2004
Tutte le famiglie felici (Todas las familias felices, 2006), trad. Giuliana Carraro e Eleonora Mogavero, Milano, Il saggiatore, 2009
Destino (La voluntad y la fortuna, 2008), Alfaguara, México, 2008, Milano, Il saggiatore, 2012