Dzieciństwo.
Urodził się 23 listopada 1937 w Moskwie jako Cyryl Budniewicz, w okresie apogeum wielkiej czystki. Jego ojciec wkrótce po narodzinach syna został aresztowany i skazany na 8 lat łagru{{Odn|Friszke|2010|s=21}}. Wcześniej aresztowano dziadka Cyryla Budniewicza, który był inżynierem i mienszewikiem. Jego matka, Natalia Wilder (1912-1992), miała pochodzenie żydowskie; była tłumaczką i literaturoznawczynią, absolwentką Instytutu Literackiego im. Maksyma Gorkiego w Moskwie. W 1939 związała się z polskim działaczem komunistycznym Zygmuntem Modzelewskim, który do 1937 przebywał na emigracji we Francji, a w latach 1937-1939 poddawany był represjom i więziony w Związku Radzieckim{{Odn|Friszke|2010|s=21}}. Po zwolnieniu Zygmunt Modzelewski działał w Związku Patriotów Polskich, od 1944 był ambasadorem Polskiego Komitetu Wyzwolenia Narodowego w Moskwie, a od 1947 ministrem spraw zagranicznych PRL{{Odn|Friszke|2010|s=22}}. W 1941 po niemieckiej inwazji Cyryl Budniewicz został wywieziony wraz z innymi dziećmi komunistycznych emigrantów do obwodu gorkowskiego{{Odn|Modzelewski|2013|s=16}}. W 1945 przyjechał z rodziną do Polski; dopiero wtedy zaczął się uczyć języka polskiego{{Odn|Friszke|2010|s=22}}. Otrzymał nazwisko przybranego ojca, a także zmieniono mu imię na Karol{{Odn|Modzelewski|2013|s=29}}. W 1954 zmarł jego przybrany ojciec, który od 1951 był odsuwany od realnego wpływu na władzę.
Polska Rzeczpospolita Ludowa.
W 1954 złożył egzamin maturalny w XIV Liceum Ogólnokształcącym im. Klementa Gottwalda w Warszawie i w tym samym roku rozpoczął studia historyczne na Uniwersytecie Warszawskim{{Odn|Modzelewski|2013|s=81}}, w czasie których poznał m.in. Jacka Kuronia, Andrzeja Garlickiego, Andrzeja Krzysztofa Wróblewskiego, Krzysztofa Pomiana i Teresę Monasterską, z którymi zaangażował się w 1956 w studencki ruch rewizjonistyczny. W jego ramach odpowiadał m.in. za kontakty z młodymi robotnikami{{Odn|Friszke|2010|s=31}}. W 1959 ukończył studia na Uniwersytecie Warszawskim, będąc uczniem Aleksandra Gieysztora. W latach 1962-1964 był asystentem i doktorantem w Instytucie Historycznym Uniwersytetu Warszawskiego{{Odn|Modzelewski|2013|s=100}}.
W marcu 1957 wstąpił do Polskiej Zjednoczonej Partii Robotniczej{{Odn|Modzelewski|2013|s=93}}. W 1964 został wydalony razem z Jackiem Kuroniem z szeregów partii{{Odn|Modzelewski|2013|s=94}}. Wykreślono go wówczas również z listy członków Związku Młodzieży Socjalistycznej. W reakcji na wydalenie wystosowali ''List otwarty do partii'', krytykujący linię polityczną PZPR{{Odn|Modzelewski|2013|s=120}}. Usunięto go wówczas także ze studiów doktoranckich i z pracy, a w 1965 skazano na karę 3 lat i 6 miesięcy pozbawienia wolności. Warunkowe zwolnienie uzyskał 3 sierpnia 1967, po 2 latach i 5 miesiącach pobytu w zakładzie karnym{{Odn|Modzelewski|2013|s=127}}. Brał następnie udział w wydarzeniach marcowych w 1968, za co w 1969 ponownie został skazany na karę 3 lat i 6 miesięcy pozbawienia wolności; został zwolniony we wrześniu 1971.
W latach 1972-1983 był zatrudniony w Instytucie Historii Kultury Materialnej Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu. W 1974 uzyskał stopień naukowy doktora na podstawie pracy pt. ''Organizacja gospodarcza państwa piastowskiego'', a cztery lata później uzyskał stopień doktora habilitowanego na podstawie rozprawy poświęconej Italii wczesnośredniowiecznej{{Odn|Modzelewski|2013|s=237}}.
W 1980 wstąpił do Niezależnego Samorządnego Związku Zawodowego Solidarność, był autorem pomysłu przyjęcia przez związek terminu Solidarność, wykorzystywanego już w tytule biuletynu strajkowego. Wchodził w skład prezydium dolnośląskiego Międzyzakładowego Komitetu Założycielskiego, prezydium zarządu regionu, Krajowej Komisji Porozumiewawczej, brał także udział w I Krajowym Zjeździe Delegatów w Gdańsku. Był pierwszym rzecznikiem prasowym związku (jako rzecznik prasowy Krajowej Komisji Porozumiewawczej od listopada 1980 do kwietnia 1981). Z funkcji zrezygnował, nie zgadzając się ze stanowiskiem władz związku w sprawie tzw. prowokacji bydgoskiej.
Po wprowadzeniu stanu wojennego został zatrzymany 13 grudnia 1981 w sopockim Grand Hotelu celem internowania{{Odn|Modzelewski|2013|s=328}}. We wrześniu 1982 aresztowano go, zarzucając mu próbę obalenia ustroju Polskiej Rzeczypospolitej Ludowej. 6 sierpnia 1984 został zwolniony na mocy amnestii{{Odn|Modzelewski|2013|s=344}}. W 1989 został zaproszony na dwumiesięczny cykl wykładów w Collge de France, ale uniemożliwiono mu ten wyjazd z przyczyn politycznych{{Odn|Modzelewski|2013|s=382}}. W tym samym roku powrócił do pracy naukowej.
III Rzeczpospolita.
Działalność naukowa.
Do 1992 pracował w Instytucie Historii PAN. W 1990 otrzymał tytuł naukowy profesora.
W latach 1992-1994 był zatrudniony w Instytucie Historycznym Uniwersytetu Wrocławskiego. Od 1994 zawodowo związany z Instytutem Historycznym Uniwersytetu Warszawskiego na stanowisku profesora. W 2004 został wybrany na członka korespondenta Polskiej Akademii Nauk (PAN), a w 2010 na członka rzeczywistego tej instytucji. Pełnił funkcję wiceprezesa Polskiej Akademii Nauk (2007-2010) oraz członka Prezydium PAN (2006-2011). W 2012 został członkiem Komitetu Nauk Historycznych Polskiej Akademii Nauk. W 2001 uzyskał także członkostwo w Towarzystwie Naukowym Warszawskim.
Działalność polityczna.
W okresie 1989-1991 sprawował mandat senatora I kadencji, wybranego w województwie wrocławskim z ramienia Komitetu Obywatelskiego{{Odn|Modzelewski|2013|s=382}}. Na początku lat 90. współtworzył Solidarność Pracy, następnie Unię Pracy. Był jej honorowym przewodniczącym, rezygnując z tej funkcji oraz z członkostwa w partii w 1995{{Odn|Modzelewski|2013|s=404}}. W 2005 wszedł w skład komitetu wyborczego Włodzimierza Cimoszewicza w wyborach prezydenckich.
Zarządzeniem prezydenta RP na uchodźstwie Ryszarda Kaczorowskiego z 11 listopada 1990 został odznaczony Krzyżem Kawalerskim Orderu Odrodzenia Polski. 2 marca 1998 wraz z Jackiem Kuroniem został odznaczony Orderem Orła Białego. W 2016 został uhonorowany Legią Honorową V klasy.
W 2007 otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w dziedzinie nauk humanistycznych i społecznych za badania nad historią powstawania tożsamości europejskiej odkrywające znaczenie tradycji przedchrześcijańskiej i wielokulturowej dla współczesnego pojęcia Europy przedstawione w dziele ''Barbarzyńska Europa''. W 2009 został uhonorowany tytułem doktora honoris causa Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy.
W 2014 za autobiografię ''Zajeździmy kobyłę historii. Wyznania poobijanego jeźdźca'' otrzymał Nagrodę Literacką Nike, Nagrodę Historyczną im. Kazimierza Moczarskiego oraz wyróżnienie jury Nagrody im. Jerzego Giedroycia. W tym samym roku otrzymał Nagrodę im. księdza Józefa Tischnera.
W 2015, ''za szczególne zasługi i dokonania w obronie idei państwa prawa, umacniania demokracji i roli Polski w Europie'', został laureatem Nagrody im. Edwarda J. Wende przyznawanej przez Fundację dla Polski. W 2016 otrzymał Medal świętego Jerzego.
Honorowe obywatelstwo przyznały mu Sobótka (2012) oraz Wrocław (2016).