Родился 23 мая 1707 г. в городе Росхульд (Швеция) в семье пастора. От отца юный Карл унаследовал страсть к ботанике.
Изучив естественные и медицинские науки в Лундском (1727 г.) и Упсальском (с 1728 г.) университетах, Линней в 1732 г. совершил путешествие по Лапландии (природная область на севере Швеции, Норвегии, Финляндии и на западе Кольского полуострова). В результате появился труд «Флора Лапландии» (1732 г.; полное издание 1737 г.).
В 1735 г. учёный переехал в город Хартекамп (Нидерланды), где получил должность заведующего ботаническим садом; защитил докторскую диссертацию на тему «Новая гипотеза перемежающихся лихорадок».
С 1738 г. занимался в Стокгольме врачебной практикой; в 1739 г. возглавил морской госпиталь, добился права вскрывать трупы с целью определения причины смерти. Участвовал в создании Шведской королевской академии наук и стал её первым президентом (1739 г.).
С 1741 г. руководил кафедрой в Упсальском университете, в котором преподавал медицину и естествознание.
Самый значительный труд Линнея — «Система природы». Книга была впервые опубликована в 1735 г. и выдержала при жизни автора 12 изданий. Именно в этой работе Линней применил и ввёл в употребление так называемую бинарную номенклатуру, согласно которой каждый вид обозначается двумя латинскими названиями — родовым и видовым.
Учёный определил понятие вида, пользуясь как морфологическими (сходство в пределах потомства одной семьи), так и физиологическими (наличие плодовитого потомства) критериями.
Он установил чёткую градацию систематических категорий: класс, отряд, род, вид, вариация. В основу классификации растений Линней положил число, величину и расположение тычинок и пестиков цветка, а также признак одно-, дву- или многодомности растения. Он считал, что органы размножения — самые существенные и постоянные части тела у растений. На основе этого принципа учёный разделил все растения на 24 класса.
Линнеем открыто и описано около 1500 видов растений. Предложенная им классификация животного мира впоследствии претерпела значительные изменения благодаря новым открытиям в области биологии, однако была для своего времени революционной. Её отличительная черта — в том, что человек включён в систему животного царства и относится к классу млекопитающих, отряд приматов. Двойная номенклатурная система, предложенная Линнеем, употребляется и поныне.