Après des études de guitare classique et de théorie musicale avec Ramon Humet, en 2010, Carlos de Castellarnau débute l'apprentissage de la composition à l'École Supérieure de Musique de Catalogne (ESMUC) à Barcelone, avec Agustí Charles. En 2012, il intègre la classe de composition de Stefano Gervasoni au Conservatoire national supérieur de musique de Paris et reçoit les conseils de Yan Maresz en matière de musique électroacoustique. En 2013-2014, il suit le Cursus I de composition et d'informatique musicale à l'Ircam, et en 2014-2015 le Cursus II, sous la supervision d'Hector Parra.

Carlos de Castellarnau est lauréat de plusieurs prix internationaux de composition, comme le Prix International Joan Guinjoan en 2011, le deuxième prix « Premio Trio di Trieste » en 2012, et le prix « Jukeboxx New Music Award » en 2015. Ses œuvres ont été créées par des ensembles tels que CrossingLines, Barcelona Reed Quintet, l'Ensemble Regards, l'Ensemble Court-Circuit, Proxima Centauri, Curious Chamber Players, Vetixe Sonora Ensemble ou encore Neofonía Ensemble.

Sa pièce Antropofauna est programmée au festival Manifeste de l'Ircam en juillet 2015.

Comme Carlos de Castellarnau le dit lui-même, ses œuvres récentes sont « particulièrement influencées par les recherches poïétiques de peintres informalistes réinterprétées en musique à partir d'une approche électroacoustique de la morphologie du son. Fasciné par le grotesque comme source poétique et la capacité expressive de la matière sonore, [son] travail allie raffinement sonore et complexité du timbre. »