Carlo Betocchi nasce a Torino il 23 maggio 1899 da padre ferrarese e madre toscana. Il padre, impiegato nelle Ferrovie dello Stato, nel 1906 viene trasferito con la famiglia a Firenze dove muore nel 1911. Il giovane Carlo, rimasto orfano con i fratelli Giuseppe e Anita, viene educato dalla madre la quale segue con particolare cura la sua formazione spirituale.
Dopo aver studiato all'Istituto Tecnico fiorentino con l'amico Piero Bargellini, consegue nel 1915 il diploma di perito agrimensore.
Nei primi mesi del 1917 è a Parma per frequentare il corso allievi ufficiali. Inviato al fronte qualche settimana prima della ritirata di Caporetto, partecipa alla prima resistenza sul Piave; successivamente è inviato in VaI Camonica e sull'Altopiano di Asiago.
Terminata la guerra, nel dicembre del ‘18 parte volontario per la Libia come ufficiale di guarnigione. Congedato nel '20, lavora come geometra in Toscana nei cantieri allestiti per la ricostruzione delle case demolite dal terremoto, nelle Alpi francesi per dei lavori di condotte forzate in galleria e quindi nei cantieri stradali in Toscana e nell'Italia centro-settentrionale.
Nel 1923, con Piero Bargellini, Nicola Lisi e l'incisore Pietro Parigi, collabora alla prima rivista di carattere strapaesano «Il calendario dei pensieri e delle pratiche solari», e nel 1929 con gli stessi amici fonda «Il Frontespizio», la rivista d'ispirazione cattolica più nota negli anni del fascismo.
Tra il '29 e il '38 si occupa di una rubrica di poesia («Lettura di poeti») e in quegli anni collabora a varie riviste: «L'Orto», «Il Selvaggio», «Circoli», «Primato», «Campo di Marte», «Letteratura». Per le edizioni del «Frontespizio» viene pubblicata la sua prima raccolta di liriche: Realtà vince il sogno (1932). Seguono nel tempo Altre poesie e Notizie di prosa e poesia, comparse rispettivamente nel 1939 e nel 1947 e, in seguito, L'estate di San Martino (1961), Prime e ultimissime (1974) e Poesie del sabato (1980).
Gli impegni di lavoro lo portano nel 1939 a lasciare Firenze per risiedere a Trieste, dove si trasferisce con la famiglia fino al '40; poi è a Bologna e quindi a Roma.
A seguito di una malattia contratta nei cantieri, nel 1953 è costretto ad abbandonare la professione di geometra. Sin dal 1942 è chiamato alla cattedra di materie letterarie presso il Conservatorio musicale di Venezia. Nel 1955 ricopre lo stesso insegnamento presso il Conservatorio «L. Cherubini» di Firenze dove insegna fino al 1969.
Tornato definitivamente a Firenze nel 1952, gli viene affidata nel '58 la redazione della trasmissione radiofonica L'Approdo. Collabora a varie riviste, tra cui «La Chimera», «La Fiera letteraria» e «L'Approdo letterario» di cui è redattore fino al dicembre del 1977, anno di cessazione della prestigiosa rivista.
Tra i numerosi riconoscimenti ricevuti: il Premio Feltrinelli per la poesia assegnatogli dall'Accademia dei Lincei, il Premio Viareggio (1955) e l'Elba (1968).
Nel 1981 il presidente della Repubblica Sandro Pertini gli conferisce «La Penna d'oro» per l'opera svolta (tra gli illustri premiati sono presenti Giuseppe Prezzolini e Mario Praz).
Nel 1984, in occasione della pubblicazione di Tutte le poesie (Mondadori), riceve il Premio «E. Montale» (Librex-Guggenheim) per la poesia.
Si spegne a Bordighera, all'età di ottantasette anni, il 25 maggio del 1986.