卡尔·邓尼茨于1891年9月16日生于柏林近郊小镇格林瑙。
1910年，邓尼茨应征加入德意志帝国海军，于4月4日成为了海军军校学生。
1911年4月15日，晋升为海军见习军官，在海拉号巡洋舰上服役一年。
在1912年秋季邓尼茨被委任为布雷斯劳号巡洋舰的海军代理少尉。
1914年，第一次世界大战爆发， 邓尼茨跟着米迪里号参与对俄国的战斗，累积实战经验。
1916年3月22日邓尼茨晋升为中尉，之后又被派往加里波底作为飞机观察员， 同年10月，邓尼茨转入德国海军潜艇部队。
1917年作为潜艇U-39的值更军官，于1917年2月至10月在海上巡弋作战，表现优良。
1918年2月，担任潜艇UC-25的艇长，击沉5艘运输船，获得骑士十字勋章；7月，又担任UB-68潜艇的艇长，在10月4日时袭击英国的地中海商船团时，被护航舰重创了潜艇，之后在英国约克郡被俘了10个月。
1918年11月11日第一次世界大战结束，但1919年7月邓尼茨才被释放，他留在英国，直到1920年才返回德国，再次加入德国海军，以中尉的身份作为魏玛共和国国家海军中的T-157鱼雷艇艇长，在同年11月1日，晋升为海军少校。
1933年9月1日，邓尼茨晋升中校。
1934年9月出任指挥艾姆登号轻巡洋舰。
在1935年德国和英国签署英德海军协定后，德国已能拥有潜艇部队。
1935年10月邓尼茨回到潜艇部队中服役，并晋升上校；同年，魏玛共和国的“国家海军”被改名为“战争海军”。邓尼茨自回国后倾心研究潜艇战术，利用一次大战的经验和在战间期与外国合作，私下发展研究潜艇和训练潜艇人员，复苏德国潜艇力量。
1937年11月，邓尼茨开始相信，大规模的通商破坏战（即“破交战”）是可行的，特别是对德国海军的主要对手—英国皇家海军，他认为必须将德国海军的舰队形式从水面舰改成潜艇，战略是主张攻击于相对于战斗舰队安全许多的商船船队。 他指出，英国本土所需的物资绝大多数都是仰赖于外海殖民地运回本土， 战略物资仰赖通商船队，打击它们能使英国迫于投降，他认为能以300艘的U艇VII型所组成的潜艇舰队在战争里打败英国。
邓尼茨就以“多艘潜艇集结起来攻击船队”为核心概念，创立出“狼群战术”（狼群战术是英国的称法，德国是称作“集结战术”），以多艘潜艇在夜晚以水面航行方式,以鱼雷最小的射程攻击船只，于是邓尼茨开始在海军中提倡建设潜艇舰队。但在第一次世界大战后要执行狼群战术，以德国有限的无线电能力十分困难。 邓尼茨采用了威廉·马绍尔的想法，让潜艇处于非常接近水平面的位置和夜间发动攻击，此一策略使得潜艇的无法被声纳所侦测到。
1939年1月28日，邓尼茨晋升为海军准将和潜艇指挥官。
1939年9月，德国入侵波兰，英国和法国对德国宣战，打响了第二次世界大战。邓尼茨的U-潜艇部队只有57艘，其中许多是短航程型，只有22远洋型能越洋出击。在雷德尔和希特勒的要求下，以潜艇舰队直接和英国舰队交手。这些作战结果成败参半，勇敢号航空母舰、皇家橡树号战舰和巴勒姆号被击沉，以及击伤纳尔逊号一。这些战果代价是一些潜艇船只，削弱了原本就很少量的潜艇部队，让狼群战术的进展更为缓慢。之后，潜艇舰队又被派去和水面舰队一同执行破交战。
1939年10月1日，邓尼茨成为少将和潜艇指挥官。
1940年7月到10月，因为英国雷达和反潜设备的缺乏，对水下杀手的U艇无法反制，被击沉了149万吨的物资，这段时间德军称作“第一段欢乐时光”邓尼茨也因为领导潜艇表现优异而晋升海军中将。
1941年12月11日，希特勒对美国宣战，使大西洋海战的范围延伸到了美国东岸，邓尼茨立即策划击鼓行动，让U-潜艇开始在美国东岸攻击船只。由于美国反潜作战准备不足，在战初即承受巨大损失，德军称作“第二段欢乐时光”。
截至1942年年底，由于U艇VII型的产量增加了，以至于邓尼茨终于能够进行大规模的潜艇群体攻击，以狼群战术使盟军的航运损失大幅上升，并有一段时间使英国的燃料和补给短缺。
1943年1月，德国海军攻击开往苏联的船队失
败, 吕佐夫号战列巡洋舰和希佩尔海军上将号重巡洋舰遭到重创,海军总司令埃里希·雷德尔被解除职务。邓尼茨则被希特勒起重而担任海军总司令，同年被授予海军元帅军衔。
1943年中旬，大西洋海战已不利于德国，但邓尼茨仍继续推动建造U-潜艇，并对它充满信心，进一步的研究潜艇技术，期望德国能一再的扭转局势，同时告知希特勒，希望得到他的支持，但盟军新式的雷达、海空协同的反潜机和护航航空母舰使得潜艇的损失还是不断增加。
1943年中旬以来，邓尼茨的潜艇损失并没有随着他的晋升而减少。他的副手艾伯哈特·戈德接替他作为潜艇舰队总司令，也无力扭转局势，只能放弃狼群战术，而改以单艘巡弋的战术。
1945年4月20日，邓尼茨被任命为德国北方部队和民防司令。
1945年4月30日，希特勒自杀。根据他最后的遗言，任命邓尼茨为他的继承者，作为帝国联邦大总统（并非元首）和德意志武装力量最高统帅。
邓尼茨在第三帝国东部即将被红军攻进时，拟定并实行了大规模的撤退行动—汉尼拔行动，抢救了200万平民与30万士兵至西方。邓尼茨试图组建心新的政府并希望和西方达成单方面的停战，但遭到盟军总司令艾森豪威尔的拒绝。
1945年 5月7日，邓尼茨授权汉斯-格奥尔格·冯·弗里德、威廉·凯特尔和汉斯-尤根·史托普在柏林签署无条件投降书。
邓尼茨到1956年10月1日才被释放，之后他退休到西德石勒苏益格-荷尔斯泰因的一座村子定居，他在之后创作了2部作品《10年和20天》和《我风云变幻的一生》。
邓尼茨的余生在奥姆勒恩平淡的度过，直到1980年12月24日因心脏病去世，享年89岁。
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