Si laureò a Torino in medicina e chirurgia a soli 24 anni. Dopo aver esercitato la professione di medico in una piccola località del Pavese, partecipò come medico volontario umanitario alla guerra del 1866 e, successivamente, alla guerra franco prussiana del 1870.

Tornato a Torino, si dedicò alla carriera universitaria: assistente, incaricato e infine ordinario di istologia, anatomia sistematica e anatomia topografica, nonché chirurgo presso il sifilocomio maschile. Dal 1880, dedicò la sua intensissima attività alla scuola e alla ricerca. "Fu insegnante apprezzatissimo per le sue qualità di chiarezza e di ordine espositivo, e uomo di grande serenità di giudizio e di forte indipendenza di carattere (G.S. in Treccani - vol. XVI). Le ricerche alle quali resterà legato il suo nome sono quelle sull'anatomia dell'encefalo e sulla configurazione del mantello cerebrale, sulla conservazione degli organi nervosi, sulla topografia del cuore, sulle anomalie dell'embrione umano...Alla sua morte donò una cospicua rendita alla Biblioteca dell'Accademia di Medicina di Torino per acquisto di libri; tutta la sua strumentazione scientifica ed anche il suo corpo all'Istituto di Anatomia di Torino.

Nel 1993, un convegno organizzato dal Comune e dalla scuola ha rievocato la figura e le opere di Carlo Giacomini.

Busti e monumenti a lui dedicati si trovano a Torino e a Tortona; il suo paese natale gli ha dedicato la via dove si trova la casa avita e gli ha intitolato il grandioso edificio delle scuole elementari costruito negli anni'30.