Karl IV. von Lothringen wurde am 5. April 1604 in Nancy geboren. Er war der Sohn von Herzog Franz II. von Lothringen und Christine von Salm.
Er trat in den Militärdienst des Kaisers, für den er in der Schlacht am Weißen Berg (8. November 1620) kämpfte.
Im Frühjahr 1631 landete der König von Schweden, Gustav Adolf, mit seinen Truppen in Deutschland, woraufhin Karl ein Heer zu Unterstützung des Kaisers schickte. Im Juni 1632 ließ Ludwig XIII. daraufhin seine Armee Lothringen besetzen, so dass Karl gezwungen wurde, einen Vertrag zu unterzeichnen, den er dann aber nicht einhielt. Im September 1633 fielen die französischen Truppen erneut in Lothringen ein, was Karl IV. am 19. Januar 1634 dazu brachte, zugunsten seines Bruders Nikolaus Franz abzudanken. Karl schloss sich den kaiserlichen Truppen an und kämpfte mit wenig Erfolg gegen die Schweden und später gegen die Franzosen.
1635 versuchte er vergeblich, sein Herzogtum zurückzuerobern, trug aber in den Jahren 1638 bis 1640 trotz der laschen Einstellung seiner bayerischen und österreichischen Verbündeten einige Siege davon - was ihn dazu brachte, erneut in Verhandlungen mit Frankreich einzutreten, das ihm mit dem Vertrag von Saint-Germain-en-Laye vom 2. April 1641 sein Herzogtum als französisches Protektorat zurückgab, unter der Bedingung, dass er sich von Allianzen mit Österreich fern halte. Als er aber weiterhin gegen Richelieu arbeitete und die Verschwörung Louis' de Bourbon-Condé deckte, sollte er, nachdem der Kardinal die Verschwörer gefasst hatte, ebenfalls verhaftet werden. Im Juli 1641 gelang es ihm, sich dem durch Flucht zu entziehen. Er ging erneut in den militärischen Dienst und beteiligte sich unter anderem an der Schlacht bei Tuttlingen im November 1643, in der er gemeinsam mit Franz von Mercy und Johann von Werth die Franzosen schlug.
Er verspielte die gewonnenen Vorteile und auch seine Glaubwürdigkeit, als er danach gleichzeitig mit Mazarin und der Fronde des Princes Unterredungen führte. Spanien warf ihm vor, die Ursache für das Scheitern des Aufstands zu sein, und ließ ihn am 25. Januar 1654 in Brüssel verhaften und in den Alcázar von Toledo bringen. Die Intervention und die Erfolge seines Bruders Nikolaus Franz brachten ihm am 15. Oktober 1659 die Freiheit und dem Vertrag von Vincennes von 28. Februar 1661 sogar sein Herzogtum zurück.
Als er sich aber 1669 weigerte, der Aufforderung Ludwigs XIV. nach einer Auflösung seiner Armee Folge zu leisten, fielen französische Truppen im Sommer 1670 erneut in Lothringen ein. Karl IV. musste ein weiteres Mal fliehen, nahm aber erneut im Dienst des Kaisers den Kampf gegen die Franzosen auf. Am 11. August 1675 kämpfte er zusammen mit Georg Wilhelm von Braunschweig-Lüneburg gegen Marschall François de Bonne de Créqui in der Schlacht an der Konzer Brücke. Wenig später erkrankte er schwer und starb am 18. September in Allenbach bei Wirschweiler, zwischen Birkenfeld und Bernkastel.
Seine Genealogie befindet sich im Stammbaum-Netzwerk und im Familienbuch Adelsgeschlechter.
