Licenciado em Engenharia Civil pelo Instituto Superior Técnico, Carlos Moedas fez o último ano do curso na École Nationale des Ponts et Chaussées, em Paris, e trabalhou, até 1998, na área de engenharia para o grupo Suez Lyonnaise des Eaux, em França.

Trabalhou no Banco de Investimento Goldman Sachs e no Deutsche Bank e foi administrador delegado da consultora imobiliária Aguirre Newman Cosmopolita. Em 2008 criou a sua própria empresa de gestão de investimentos, a Crimson Investment Management.

Foi eleito deputado da Assembleia da República nas legislativas de 2011. Em Junho desse ano tomou posse como Secretário de Estado Adjunto do Primeiro-Ministro do XIX Governo Constitucional, com assento no Conselho de Ministros.

Em Agosto de 2014 foi nomeado representante de Portugal na Comissão Europeia e, em Setembro, o Presidente Jean-Claude Juncker atribuiu-lhe a pasta da Investigação, Ciência e Inovação, ficando responsável pelo maior programa-quadro de sempre de investigação e inovação da UE, o Horizonte 2020.

Em Setembro de 2021, foi eleito Presidente da Câmara Municipal de Lisboa e foi também eleito presidente da Mesa do Congresso da Associação Nacional de Municípios Portugueses. Por inerência do cargo de Presidente da CML, assumiu funções de presidente da direcção da Associação Turismo de Lisboa e foi eleito presidente da Comissão Executiva da União das Cidades Capitais de Língua Portuguesa (UCCLA).

Foi membro do Conselho de Administração da Fundação Calouste Gulbenkian, é vice-presidente do Instituto Jacques Delors, em Paris, membro da Academia de Engenharia de Portugal e membro honorário da Academia Africana de Ciências.

Possui a Medalha de Ouro da Ordem dos Engenheiros de Portugal.