ولد خوان كارلوس من إنفانتي خوان، كونت برشلونة، والأميرة ماريا دي لاس مرسيدس من بوربون في روما، إيطاليا، حيث عاش جده الملك ألفونسو الثالث عشر ملك إسبانيا وأعضاء آخرين من العائلة المالكة الإسبانية في المنفى بعد إعلان الجمهورية الإسبانية الثانية عام 1931.
التحق خوان بالجيش، حيث أتمّ تدريب الضباط من 1955 إلى 1957 في الأكاديمية العسكرية في سرقسطة.
في عام 1957، أمضى خوان كارلوس عامًا في المدرسة البحرية في مارين، بونتيفيدرا، وآخر في مدرسة القوات الجوية في سان خافيير في مورسيا.
في 1960–1961، درس القانون والاقتصاد السياسي الدولي والمالية العامة في جامعة كومبلوتنس. ثم ذهب للعيش في قصر زارزويلا وبدأ في تنفيذ المسئوليات الرسمية.
تزوج خوان كارلوس في أثينا في 14 مايو عام 1962، من الأميرة صوفيا أميرة اليونان والدنمارك، ابنة الملك بول ملك اليونان، أولاً في حفل روماني كاثوليكي في كنيسة القديس دينيس، ثم تلاه حفل روم أرثوذكسي في كاتدرائية ميتروبوليتان. أثينا. تحولت من الطائفة الأرثوذكسية اليونانية إلى الكاثوليكية الرومانية.
قرر فرانكو تخطي جيل وتسمية ابن خوان دي بوربون، الأمير خوان كارلوس، خلفًا له الشخصي. كان فرانكو يأمل في أن يتم إعداد الأمير الشاب للسيطرة على الأمة مع الحفاظ على الطبيعة المتشددة والاستبدادية لنظامه. في عام 1969، تم تعيين خوان كارلوس رسميًا ولي العهد ومنح لقب أمير إسبانيا الجديد (وليس اللقب التقليدي أمير أستورياس). كشرط لتعيينه وريثًا، كان مطلوبًا منه أن يقسم الولاء لـ حركة فرانكو الوطنية، وهو ما فعله مع القليل من التردد الخارجي. صدق البرلمان الإسباني على اختياره في 22 يوليو عام 1969.
خلال فترات عجز فرانكو المؤقت في عامي 1974 و 1975، كان خوان كارلوس رئيس الدولة بالإنابة. في 30 أكتوبر عام 1975، أعطى فرانكو السيطرة الكاملة لخوان كارلوس.
توفي فرانكو في 20 نوفمبر، بعد ثلاثة أسابيع من منح السيطرة الكاملة لخوان.
في 22 نوفمبر، بعد يومين من وفاة فرانكو، نصّب الكورتيس الإسباني خوان كارلوس ملكًا لإسبانيا.
في 27 نوفمبر، تم الاحتفال بقداس الروح القدس في كنيسة سان جيرونيمو ريال مدريد لتدشين عهده. اختار ألا يطلق على نفسه اسم خوان الثالث أو كارلوس الخامس، لكن خوان كارلوس الأول.
تمت استعادة المزيد من الشرعية لموقف خوان كارلوس في 14 مايو عام 1977، عندما تخلى والده (الذي اعترف به العديد من الملوك كملك شرعي ومنفي لإسبانيا خلال عهد فرانكو) رسميًا عن مطالبته بالعرش واعترف بأن ابنه هو الرئيس الوحيد للبيت الملكي الإسباني، ونقل إليه التراث التاريخي للملكية الإسبانية، مما جعل خوان كارلوس ملكًا بحكم الواقع وبحكم القانون في نظر الملكيين التقليديين.
في 20 مايو عام 1977، قام فيليبي غونزاليس زعيم حزب العمال الاشتراكي الإسباني- الحزب الاشتراكي الوحيد الذي تم التصديق عليه في ذلك الوقت- برفقة خافيير سولانا، بزيارة خوان كارلوس في قصر زارزويلا. يمثل الحدث دعمًا رئيسيًا للنظام الملكي من اليسار السياسي الإسباني، الذي كان تاريخيًا جمهوريًا. نما الدعم اليساري للنظام الملكي عندما تم تقنين الحزب الشيوعي الإسباني بعد ذلك بوقت قصير، وهي خطوة كان خوان كارلوس قد سعى من أجلها، على الرغم من المعارضة العسكرية اليمينية الهائلة في ذلك الوقت، خلال الحرب الباردة.
في 15 يونيو عام 1977، أجرت إسبانيا أول انتخابات ديمقراطية بعد فرانكو.
في عام 1978، أصدرت الحكومة دستورًا جديدًا اعترف بخوان كارلوس الوريث الشرعي للسلالة والملك الإسباني. على وجه التحديد، أكد الباب الثاني، القسم 57 على حق خوان كارلوس في عرش إسبانيا عن طريق الخلافة الأسرية في تقليد بوربون، باعتباره "الوريث الشرعي للسلالة التاريخية" بدلاً من الوريث المعين لفرانكو. تم تمرير الدستور من قبل الكورتيس التأسيسي المنتخب ديمقراطياً، وصدق عليه الشعب في استفتاء (6 ديسمبر) ثم وقع عليه الملك ليصبح قانونًا قبل اجتماع رسمي للكورتيس.
كانت هناك محاولة انقلاب عسكري، تعرف باسم 23-إف، في 23 فبراير عام 1981، عندما استولى أعضاء الحرس المدني على الكورتيس في قاعة البرلمان. خلال الانقلاب، أعطى الملك، بزي النقيب العام للقوات المسلحة الإسبانية، بثًا تلفزيونيًا عامًا يدعو إلى دعم لا لبس فيه للحكومة الديمقراطية الشرعية. يُعتقد أن البث كان عاملاً رئيسياً في إحباط الانقلاب.
كان انتصار الحزب الاشتراكي العمالي الإسباني في عام 1982 تحت قيادة جونزاليس بمثابة النهاية الفعالة لمشاركة الملك النشطة في السياسة الإسبانية. سيحكم غونزاليس لمدة 14 عامًا، أطول من أي رئيس وزراء منتخب ديمقراطياً. ساعدت إدارته في ترسيخ الديمقراطية الإسبانية وبالتالي الحفاظ على استقرار الأمة.
عادت قضية الملكية إلى الظهور في 28 سبتمبر عام 2007 حيث أحرقت صور الملك في الأماكن العامة في كاتالونيا من قبل مجموعات صغيرة من المتظاهرين الراغبين في استعادة الجمهورية.
في أبريل عام 2012، واجه خوان كارلوس انتقادات لقيامه برحلة لصيد الأفيال في بوتسوانا. اكتشف الإسبان الرحلة فقط بعد أن جرح الملك نفسه وتم إرسال طائرة خاصة لإعادته إلى المنزل. وصرح مسؤولون إسبان أن مصاريف الرحلة لم يدفعها دافعو الضرائب ولا القصر وإنما محمد إياد كيالي وهو رجل أعمال سوري الأصل. قال كايو لارا مويا من حزب اليسار المتحد إن رحلة الملك "أظهرت نقصًا في الأخلاق والاحترام تجاه العديد من الأشخاص في هذا البلد الذين يعانون كثيرًا" بينما قال توماس جوميز من الحزب الاشتراكي إن على خوان كارلوس الاختيار بين "المسؤوليات العامة أو التنازل ". في أبريل عام 2012، بلغ معدل البطالة في إسبانيا 23 بالمائة وحوالي 50 بالمائة بالنسبة للعمال الشباب. وقدر الباييس التكلفة الإجمالية لرحلة الصيد بـ 44 ألف يورو، أي ضعف متوسط الراتب السنوي في إسبانيا.
تكهنت وسائل الإعلام الإسبانية بشأن مستقبل الملك في أوائل عام 2014، بعد انتقادات عامة بشأن قيامه برحلة سفاري لصيد الأفيال في بوتسوانا وفضيحة اختلاس تورطت فيها ابنته كريستينا وزوجها إيناكي أوردانغارين. ونفى رئيس أركان الملك في إفادة صحفية أن يكون "خيار التنازل" قيد الدراسة. في صباح يوم 2 يونيو عام 2014، أدلى رئيس الوزراء ماريانو راخوي بإعلان على التليفزيون بأن الملك أبلغه بنيته التنازل عن العرش. في وقت لاحق، ألقى الملك خطابًا على التليفزيون وأعلن أنه سيتنازل عن العرش لصالح أمير أستورياس. ووصف مسؤولون ملكيون اختيار الملك بأنه قرار شخصي كان يفكر فيه منذ عيد ميلاده السادس والسبعين في بداية العام. وبحسب بعض التقارير الصحفية قال الملك، "لا أريد لابني أن يتذوق الانتظار مثل الأمير تشارلز.". وفقًا لما يقتضيه الدستور الإسباني، سيتم تسوية أي تنازل عن طريق قانون أساسي (سيادي).
في يونيو عام 2019، أعلن الملك السابق تقاعده من مهامه الرسمية.