A pesar de vivir cerca de la pobreza, su madre se esforzó por darle una buena educación. Benz asistió a la escuela local en Karlsruhe y fue un estudiante prodigioso . En 1853, a la edad de nueve años, se inició en el Liceo de orientación científica . Luego estudió en la escuela politécnica de Karlsruhe bajo la instrucción de Ferdinand Redtenbacher .
Benz había centrado originalmente sus estudios en cerrajería , pero finalmente siguió los pasos de su padre hacia la ingeniería de locomotoras. El 30 de septiembre de 1860, a los 15 años, aprobó el examen de ingreso a la ingeniería mecánica en la escuela politécnica de Karlsruhe, a la que posteriormente asistió. Benz se graduó el 9 de julio de 1864 a los 19 años.
En 1871, a la edad de veintisiete años, Karl Benz se unió a August Ritter en el lanzamiento del Taller Mecánico y Fundición de Hierro en Mannheim , más tarde rebautizado como Fábrica de Máquinas para el Trabajo de Chapa. Finalmente tuvo que abandonar la empresa.
El pasatiempo de toda la vida de Benz lo llevó a un taller de reparación de bicicletas en Mannheim propiedad de Max Rose y Friedrich Wilhelm Eßlinger. En 1883, los tres fundaron una nueva empresa que producía máquinas industriales: Benz & Companie Rheinische Gasmotoren-Fabrik , generalmente conocida como Benz & Cie. Con un rápido crecimiento a veinticinco empleados, pronto comenzó a producir también motores de gas estáticos .
El éxito de la empresa le dio a Benz la oportunidad de entregarse a su antigua pasión de diseñar un carruaje sin caballos . Basado en su experiencia y afición por las bicicletas, utilizó una tecnología similar cuando creó un automóvil . Presentaba ruedas de alambre (a diferencia de las de madera de los carros) con un motor de cuatro tiempos de su propio diseño entre las ruedas traseras, con un encendido por bobina muy avanzado y enfriamiento por evaporación en lugar de un radiador. La potencia se transmitía mediante dos cadenas de rodillos al eje trasero. Karl Benz terminó su creación en 1885 y lo llamó “ Benz Patent-Motorwagen “.
Como curiosidad comentar que Bertha Benz realizó el primer viaje en automóvil de larga distancia del mundo con un Modelo 3. En la mañana del 5 de agosto de 1888, Bertha, supuestamente sin el conocimiento de su esposo, tomó el vehículo en un viaje de 104 km desde Mannheim a Pforzheim para visitar a su madre, llevándose a sus hijos Eugen y Richard con ella.