Carlos Villagrán foi o segundo de quatro filhos. Sua família tinha poucos recursos, mas mesmo assim conseguiu se manter. Como a família era bastante pobre, desde pequeno Villagrán tentava ajudar seu pai, que era fotógrafo de jornal, no seu trabalho - e conciliando isso com os estudos na escola. O sonho de Carlos era ser comediante ou jogador de futebol. Começou sua carreira aos 23 anos, trabalhando como fotógrafo de um jornal mexicano chamado Heraldo. No jornal, Villagrán se dedicava principalmente aos esportes. Em 1968, cobriu os Jogos Olímpicos, realizados na Cidade do México. Dois anos depois, também cobriu a Copa do Mundo de 1970, sediada no México. Pouco depois de ter iniciado a carreira de fotógrafo, Carlos também começou a fazer teatro. Atuou como um menino de bochechas grandes em uma peça chamada Loquibambia, que foi assistida por Roberto Gómez Bolaños. No início, Carlos conciliava a profissão de ator com a de fotógrafo. Graças ao seu trabalho como fotógrafo do jornal, foi fazendo contatos com o mundo da televisão. Ele mesmo pedia trabalho aos produtores cômicos da época, como Capulina; e eles deram-lhe trabalho como figurante em seus programas, sempre atuando, mas nunca falando.
Em 1968 Carlos, coomeçou a fazer sucesso, no programa El Club de Los millonarios onde interpretou um boneco de vetríloquo chamado Pirolo.
Villagrán até hoje é chamado de Pirolo, devido a seu enorme sucesso do personagem no Mexico,
Carlos também fez os programas, El club del Chori, em que interpretava uma velhinha chamada Lola Mento, foi neste programa que ele conheceu o ator Rubén Aguirre (Professor Girafales). Aguirre ficou encantado com o talento de Villagrán.
Algum tempo depois, no início dos anos 70, Roberto Gómez Bolaños realizou uma festa em sua casa e convidou Rubén. Aguirre levou Villagrán nessa festa como convidado e lá eles tiveram uma ideia para entreter os presentes: Rubén colocou Carlos no colo e os dois encenaram uma cena de um boneco de ventríloquo; e isso deixou Bolaños impressionado. Roberto já tinha assistido Carlos no teatro. depois disso Roberto convidou Villagrán para seus programas.
Carlos Villagrán deixou a fotografia, Em 1972, começou a viver o personagem que marcaria sua carreira: o Quico no seriado El Chavo del Ocho. Também atuou em El Chapulin Colorado, onde interpretou vários personagens, como o bandido Quase Nada. No início das gravações dos seriados, Villagrán teve um namoro com a atriz Florinda Meza (Dona Florinda). Aos poucos, Carlos foi se destacando cada vez mais com o personagem Quico e ganhou um grande número de fãs. Ele logo também passou a fazer comerciais e a gravar discos com o personagem. O Quico, graças a atuação de Villagrán, tornou-se um dos personagens favoritos dos fãs da série, geralmente só perdendo para o Seu Madruga, vivido por Ramón Valdés. Com o elenco de Bolaños, Carlos também participou do filme El Chanfle, onde interpretou Valentino Milton, um jogador de futebol.
No final do ano de 1978, Carlos Villagrán deixou o elenco dos seriados. Ele saiu brigado com quase todos os outros atores do elenco. Foram dadas versões diferentes para a saída dele - com isso, muitos fãs ainda tem dúvidas sobre qual teria sido o motivo da saída. Segundo o próprio Carlos, o sucesso que ele estava obtendo com o Quico teria despertado inveja nos outros atores, que então teriam tentado diminuir o personagem e depois o tiraram do programa. Ou seja, Carlos disse ter sido tirado do elenco por inveja de Bolaños e dos demais. Já o criador da série, Roberto Gómez Bolaños, disse que Carlos saiu por vontade própria, porque queria seguir carreira solo com o Quico - só que, como Carlos passou a dizer que ele era o criador do personagem, isso causou desentendimentos.
Carlos Villagrán foi proibido de usar o personagem Quico, por não ter os direitos autorais do personagem. Uma decisão da Televisa proibia ele de ser contratado para fazer o personagem Quico por qualquer emissora tanto do México como de outros paises em que a Televisa tivesse influencia, Carlos chegou a ir para a Argentina onde foi barrado pela emissora mexicana e não pode fazer o personagem.
Tempos depois ele foi chamado pela emissora venezuelana Radio Caracas Televisión para realizar seu próprio programa, esta emissora era independente da Televisa e não foi vatada de contratar o ator. Além disso, para poder continuar se apresentando como Quico, Carlos registrou o personagem em seu nome com outra grafia, "Kiko", como se fosse outro personagem - já que os direitos autorais do Quico pertencem à Roberto Bolaños. Até hoje, Carlos contesta o direito autoral de Bolaños, afirmando ser o criador do personagem.
Na Venezuela, Villagrán fez vários programas, como Kiko Botones e Federrico - em todos eles, continuava fazendo o Quico. Em 1985, Carlos ainda protagonizou um programa no Chile chamado El Circo de Monsieur Cachetón, em que interpretava Monsieur Cachetón, o dono de um circo. Os programas solos de Villagrán foram exportados e exibidos em vários países, mas nenhum deles fez muito sucesso. Com a audiência em baixa, Carlos decidiu retornar ao México em 1987. Pouco depois que voltou, fez o programa ¡Ah que Kiko! na emissora Telerey; mas o seriado também não fez sucesso.
Por algum tempo, Carlos trabalhou com Ramón Valdés depois que este também saiu do elenco dos programas de Bolaños. Os dois estiveram juntos em Federrico e ¡Ah que Kiko!. Pouco antes de Ramón falecer, em 1988, Carlos o visitou no hospital e Ramón brincou, dizendo que iria espera-lo no inferno.
No final dos anos 80, decidiu parar de fazer televisão. Passou então a fazer shows como Quico em circos e teatros.
Nos anos 90, se dedicou a viajar pela América Latina com um circo, fazendo apresentações em diversos países da América do Sul e América Central. No Brasil, o ator fez shows entre 1995 e 1997 em diversas cidades do Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná e São Paulo. Essa foi a primeira vez em que Carlos esteve no país e, além dos shows, ele também concedeu entrevistas em programas de tv´s no Brasil. Carlos morou na Argentina até o ano de 2008.
Em 2000, participou de uma homenagem da Televisa à Roberto Gómez Bolaños, tendo se reencontrado com ele durante o evento. Por causa de todos os desentendimentos que tiveram, os dois não se falavam desde a saída de Carlos do seriado, no final de 1978. No entanto, eles não se reconciliaram e nunca mais voltaram a se encontrar.
Em 2012, Villagrán não foi convidado para o América Celebra a Chespirito, homenagem da Televisa à Roberto Gómez Bolaños, devido a sua briga com ele. Carlos criticou a homenagem, dizendo que ela não deveria ser só para Roberto, mas sim para todos que participaram do programa. Pouco depois, Bolaños passou por vários problemas de saúde e Carlos declarou que Deus estava castigando o criador do Chaves. Quando Bolaños morreu em 2014, Villagrán lamentou não ter feito as pazes com ele. Ao longo da carreira, Carlos fez várias declarações criticando Bolaños para a imprensa.
Carlos Villagrán chegou a tentar criar uma rede de restaurantes chamada Kiko Gourmet, mas esse projeto nunca se realizou.
Em 2008, a equipe do Pânico na TV foi até o México e gravou uma entrevista com Villagrán, durante uma turnê dele na Cidade do México. Na ocasião, a equipe presenteou o ator com uma bola quadrada.
Villagrán já declarado varias vezes que iria se aposentar. Em 2010, Carlos esteve no Brasil novamente para participar da 2ª edição do Festival da Boa Vizinhança, evento organizado pelo Fã-Clube Chespirito Brasil e que reúne fãs do seriado El Chavo del Ocho, em São Paulo.
No dia 20 de setembro de 2011, ganhou o prêmio Máximo Orgulho Hispânico, nos Estados Unidos, em reconhecimento à sua carreira artística.
Durante o ano de 2011, Carlos escreveu uma coluna esportiva no jornal Plaza de Armas, de Querétaro. O nome da coluna era "El Comentario Cuadrado de Kiko".
Em 2012, Villagrán participou do reality-show Mi Sueño es Bailar, nos Estados Unidos.
No dia 23 de janeiro de 2013, ele se reencontrou com Maria Antonieta de las Nieves, a Chiquinha, em uma matéria para a Estrella TV, canal hispânico dos Estados Unidos. Nesse reencontro, os dois se reconciliaram e, à partir daí, passaram a ser grandes amigos.
Em 2013, em uma turnê pelo Brasil anunciou sua aposentadoria, aos 69 anos. Seu último show no Brasil foi no dia 11 de Maio, em um circo no Rio de Janeiro. Sua turnê de despedida no Brasil passou por Porto Alegre, Belo Horizonte, São Paulo, Recife, Campos dos Goytacazes e Rio de Janeiro. Durante a turnê, em homenagem a sua paixão pelo futebol brasileiro, foi nomeado embaixador da Copa do Mundo do Brasil, na cidade de Porto Alegre. Ainda em 2013, ele recebeu, juntamente com Maria Antonieta de las Nieves, um reconhecimento por sua trajetória artística da Sociedade de Artistas e Intérpretes do Peru. Carlos também realizou uma turnê de despedida no Peru e esteve em programas do canal Mega, do Chile, se despedindo do personagem Quico.
Em 2014, Villagrán abandonou a aposentadoria e anunciou que iria fazer uma turnê pelo Brasil no mês de outubro. Os shows aconteceram em São Paulo, Londrina, Porto Alegre. Durante a Copa do Mundo de 2014, realizada no Brasil, Carlos disse que estava chateado porque, mesmo tendo sido nomeado embaixador da Copa em Porto Alegre, ele não recebeu nenhum convite ou passagens para assistir aos jogos na cidade.
Em novembro de 2014, quando Roberto Bolaños faleceu, Carlos Villagrán foi ao velório e reencontrou Florinda Meza. Depois que saiu dos seriados em 1978, Carlos acusou Florinda de ter influenciado Bolaños para que ele reduzisse o espaço do Quico na série. Carlos e Florinda ficaram mais de 30 anos sem se ver. Nesse reencontro, Carlos abraçou Florinda para consolá-la pela morte de Bolaños.
Nos dias 30 e 31 de janeiro de 2016, participou do Expo Geek, no Rio de Janeiro.
Em janeiro de 2017, negou boatos de que iria se aposentar.Meses depois, em abril, veio novamente ao Brasil, desta vez para participar da CCXP Tour Nordeste, em Recife.
Em outubro de 2017, esteve em São Paulo para acompanhar a pré-estreia do filme Como se Tornar o Pior Aluno da Escola e deu mais uma entrevista no The Noite com Danilo Gentili onde falou sobre o longa-metragem. O ator também concedeu várias entrevistas sobre o filme para a imprensa.
Em 2018, anunciou mais uma vez a sua turnê de despedida do personagem Quico. Villagrán começou sua turnê de despedida no Panamá, onde apresentou shows de circo entre o final de março e início de maio. Em junho, sites de notícias divulgaram que Carlos pretendia deixar de interpretar o Quico ainda em 2018. Entre julho e agosto, continuando com a turnê, Carlos apresentou seu show de despedida no Peru. Durante sua passagem pelo país, ele anunciou que, depois de se aposentar, vai abrir um restaurante do Quico. Em setembro, o ator veio ao Brasil e participou do Geek City, em Curitiba, reunindo milhares de fãs.
Em janeiro de 2019, dando prosseguimento a turnê, Carlos Villagrán apresentou seu show de despedida em Phoenix, no Arizona. Durante o mês de março, Villagrán apresentou seu show de despedida no circo dos irmãos Caballero, em Las Vegas. Foram os últimos shows da sua turnê de despedida. Com isso, Villagrán se aposentou dos shows. Mas mesmo após se aposentar dos shows como Quico, Carlos continua participando de eventos com os fãs.
Atualmente, mora no México. Ele tem uma casa em Guadalajara e outra em Querétaro. Villagrán mora em Querétaro na maior parte do tempo. Carlos mora com sua atual esposa, Rebeca Palacios. Antes dela, ele foi casado com outras duas mulheres. Sua primeira esposa foi Sylvia Salinas, com quem teve quatro filhos: Sylvia, Samantha, Edson e Paulo. Depois, foi casado com Graciela Rivera, com quem teve mais dois filhos: Gustavo e Vanesa. Com Rebeca, ele não tem filhos. Ao todo, Carlos tem seis filhos. Dois deles, Edson e Paulo, receberam esses nomes em homenagem à Pelé e Paulo César Caju, que Carlos viu jogar na Copa do Mundo de 1970, no México.
