Nascido em 12 de janeiro de 1944, Carlos teve uma infância pobre. Antes de se tornar ator foi fotógrafo de um jornal mexicano, trabalhava com esportes. Em 1968, cobriu os Jogos Olímpicos, realizados na Cidade do México. Seu sonho era ser comediante ou jogador de futebol. No final dos anos 60, começou a trabalhar como ator.

Carlos também é conhecido no México como Pirolo, pois antes de atuar em El Chavo del Ocho, tinha um personagem com esse nome em um circo. Certa vez, em uma apresentação, foi visto por Rubén Aguirre (Professor Girafales) que ficou encantado com o seu talento e o indicou à Roberto Gómez Bolaños. Carlos Villagrán deixou a fotografia aos 23 anos e começou a viver Quico no seriado El Chavo del Ocho. Também atuou em El Chapulin Colorado, onde interpretou vários personagens, como o bandido Quase Nada.