Carlos Velo naceu en Cartelle (Ourense) no ano 1909. Despois de cursar o bacharelato en Ourense, trasládase a Madrid para estudiar Bioloxía. Nesta cidade entra en contacto coas vangardas do momento e axiña esperta nel o interese pola arte cinematográfica. Carlos Velo fundou, xunto con Luís Buñuel, un dos primeiros cineclubs españois.
Rematados os seus estudios imparte clases de Bioloxía na Universidade madrileña e toma parte nas Misións Pedagóxicas da Institución Libre de Ensinanza. Naqueles anos realiza os seus primeiros documentais, como as curtametraxes La ciudad y el campo (1935), Saudade (1936) e Galicia (1936) coa que consegue o diploma de honor na Exposición Internacional de París.
Ó comezar a Guerra Civil, debido á súa postura política e ó compromiso coa República, ten que fuxir conseguindo pasar primeiro a Marrocos, onde realiza o traballo titulado Marruecos ou Yebala. Rematada a guerra, exíliase a México onde fixou a súa residencia. Nese país continúa e desenvolve a súa carreira como cineasta dirixindo primeiro o Noticiario Mexicano que se exhibía nos cines. Despois funda a corrente do Cine-Verdade (curtametraxes culturais, científicas e filosóficas) que serviu para crear unha escola de documentalistas no país que o acolleu. Participa en produccións independentes desde os anos 50 e no 74 comeza a dirixir o Departamento de Cine, Radio e Televisión do Consello Nacional de Ciencia e Tecnoloxía de México.
Da súa longa etapa mexicana son, entre outras, curtametraxes como Pintura mural mexicana (1953), La tierra del Chile (1954), La tierra era verde (1957), e longametraxes como Torero (1956), filme non documental, Pedro Páramo (1966) ou Secreto eterno (1969). Tamén colaborou con outros cineastas como Buñuel, con quen se reencontra en México, no filme Nazarín (1958).
Velo tamén desenvolveu na súa etapa mexicana un importante labor político e cultural. Foi delegado do Consello de Galicia para asistir ás reunións do Goberno da República no exilio. O seu compromiso con Galicia tamén o leva a establecer contactos con vascos e cataláns para reconstruíren Galeuzca, a fundar o Padroado de Cultura Galega e a revista Vieiros. Participa na fundación do partido Unión do Pobo Galego (UPG) sendo encargado de realizar o primeiro número de Terra e Tempo, voceiro deste partido nacionalista.
No ano 1976 volve a España convidado pola Filmoteca Nacional Española para presenciar a antolóxica que lle dedican sobre o seu traballo documental mexicano. Veñen despois outras homenaxes e recoñecementos como a concesión do premio Mestre Mateo das Artes 84 ou a antolóxica que lle tributa o Cine Club Carballiño no 85.
Carlos Velo morreu no ano 1988.