Narodil sa 13. januára 1928 v Malackách. Už ako dvanásťročný začínal v rozhlase a venoval sa ochotníckemu divadlu. V roku 1951 vyštudoval herectvo na Štátnom konzervatóriu (dnes Konzervatórium) v Bratislave. Dráhu profesionálneho herca začal v Armádnom divadle (dnes Slovenské komorné divadlo) v Martine, kde pôsobil v rokoch 1952–1953. Do roku 1998 bol potom nepretržite členom Činohry Slovenského národného divadla (SND) v Bratislave.
Po prvých úlohách – Jakubovi v Laholovom Atentáte (1949) a Fortinbrasovi v Shakespearovom Hamletovi (1950), ktoré stvárnil ešte ako študent, upozornil na seba skvele stvárnenými postavami na divadelných doskách v Martine. Tam jeho titulné postavy Geľo Sebechlebský (1952) a Jánošík (1953) napriek hercovej mladosti zožali nevídaný úspech.
Hercovo účinkovanie v Schillerových Zbojníkoch, Tylovom Krvavom súde a v Rostandovom Cyranovi de Bergerac zaznamenalo skvelý divácky ohlas. Karol Machata bol aj uznávaným predstaviteľom Shakespearovských postáv. Zažiaril v inscenáciách Veselé panie z Windsoru, Rómeo a Júlia, Hamlet, Kráľ Lear a nezabudnuteľné boli tiež jeho Čechovovské kreácie. Za množstvo svojich výrazných postáv vďačí aj slovenskej dramatike, predovšetkým autorom Petrovi Karvašovi, Štefanovi Králikovi, Leopoldovi Laholovi, Ivanovi Bukovčanovi, ale aj Jánovi Palárikovi.
Kultivovaný prejav, ktorý si uchoval čaro spontánnosti najmä v komediálnych polohách, patrí k tomu najcennejšiemu, čím obohatil dejiny slovenského herectva. V rozhlasových hrách a pásmach vytvoril širokú škálu dramatických postáv s jemným zmyslom pre špecifikum rozhlasového herectva. V 60. a 70. rokoch 20. storočia ďalej úspešne stvárnil úlohy v Záborského Najdúchovi, v Millerovej Cene a Cyrana z Bergeracu v rovnomennej Rostandovej hre.
Divadlo bolo jeho láskou. „Alma mater je divadlo. Nedá sa nič robiť, k nemu som pripútaný pupočnou šnúrou a jemu zostanem verný, dokiaľ budem vládať. Mám rád divadlo preto, že je to umenie momentu. Ďalším stupienkom kaskády, po ktorej človek kráča k ovládnutiu hereckej profesie, je rozhlas. Vždy, keď som pristupoval k mikrofónu, mal som pocit, že by som sa mu mal pokloniť…“ zdôveril sa v jednom z rozhovorov dramatický umelec.
Filmy, v ktorých stvárnil postavy, patria do zlatého fondu slovenskej kinematografie (Zemianska česť, Drevená dedina, Dáždnik svätého Petra, Prerušená pieseň, Pieseň o sivom holubovi, Polnočná omša, Zločin slečny Bacilpýšky, Hriech Kataríny Padychovej, Skrytý prameň, Červené víno, Soľ nad zlato a mnohé ďalšie).
Za svoje herecké umenie získal množstvo cien, medzi inými Poctu ministerstva kultúry SR udelenú k jeho sedemdesiatym narodeninám. V roku 1967 získal titul zaslúžilý umelec a v roku 1979 národný umelec. Prezident SR Rudolf Schuster odovzdal 1. januára 2003 Karolovi Machatovi štátne vyznamenanie Pribinov kríž II. triedy za významné zásluhy v oblasti, divadelnej, filmovej a rozhlasovej tvorby.
Jedna z posledných legiend povojnovej generácie, herec Karol Machata, zomrel 3. mája 2016 v Bratislave vo veku 88 rokov.