Карл Мальмстен родился в Стокгольме в декабре 1888 года в семье врача; по материнской линии он был внуком основателя стокгольмского Гранд-отеля. Школу он не любил, зато рано потянулся к ремеслу: в 1909–1910 годах учился у столяра, затем самостоятельно занимался рисунком и в 1911–1916 годах работал в архитектурных бюро.
Перелом случился в 1916 году: Мальмстен взял первый и второй призы в конкурсе на мебель для стокгольмской ратуши, и его кресла для зала совета принесли ему имя. Тогда же он открыл в Стокгольме мастерскую, а в 1917-м показал работы рядом с Гуннаром Асплундом и Уно Оренским. Он стал одним из лидеров шведской классики 1920-х, которую называют «Swedish grace», и яростным критиком функционализма: на Стокгольмской выставке 1930 года он был главным оппонентом нового стиля.
В 1920–1930-е его интерьеры появлялись в самых заметных местах — от гостиной Ульриксдальского дворца до Дома концертов и Спичечного дворца в Стокгольме. Ему приписывают также интерьеры нью-йоркского «Уолдорф-Астории» и зала президента Совета в здании ООН в Женеве. Параллельно он занимался педагогикой: в 1927 году основал Olofskolan, в 1930-м — мастерскую-школу в Стокгольме, а в 1957-м купил усадьбу на острове Эланд и открыл там ремесленную школу Capellagården.
Школа Мальмстена с 2000 года входит в состав Линчёпингского университета и работает на Лидингё. Его фонд, учреждённый с женой Сив, до сих пор держит права на наследие, а магазин на набережной Стокгольма продолжает семья. Около 2000 года его мебель заново открыло молодое поколение дизайнеров.