Mezőszentgyörgyön, a főnemes Eötvösökkel csak névrokonságban álló nemesi családban látta meg a napvilágot. Apja földbirtokos, 48-as honvédtiszt volt. A gimnáziumot Pápán és Sopronban végezte, majd a pápai református jogakadémián tanult jogot. 1864-ben részt vett az Almásy-féle Habsburg-ellenes összeesküvésben, amiért több hónapos várfogságot kapott. Államvizsgája, majd bírói vizsgája után, 1866-tól a pápai jogakadémián bölcseletet tanított, az év őszén Veszprém vármegye aljegyzője, 1867-ben első alügyésze, 1871-ben a veszprémi királyi törvényszék királyi ügyésze lett.
A következő évben a Deák-párt színeiben választották meg a veszprémi kerület országgyűlési képviselőjének. Képviselői munkája mellett vezércikkeket írt a Pesti Naplónak és ügyvédi irodát nyitott, amely a fáma szerint rengeteg megkeresést kapott,
de Eötvös csak általa igazságosnak tartott ügyeket vállalt el.
A Deák-párt és a Tisza Kálmán-féle Balközép 1875-ös fúziója után otthagyta a parlamentet és a pénzügyminisztériumban vállalt állást, négy hónap múlva erről is lemondott a gazdasági kiegyezésről folyó tárgyalások miatt. Visszatért birtokára és a vármegyei politikához, majd 1878-ban, immár függetlenségpárti programmal ismét Veszprém képviselőjévé választották.
Nemzetközi hírnevet a hatalmas érdeklődés mellett zajló tiszaeszlári vérvádper védőjeként szerzett. Tiszaeszláron 1882 áprilisában pészah, a zsidó húsvét előtt tűnt el Solymosi Eszter, egy tizennégy éves cselédlány. Hetekkel később a Tiszából előkerült egy holttest, amelyben sokan a lányt ismerték fel, de azonosságát nem sikerült egyértelműen bebizonyítani. A szerveződő magyar antiszemita mozgalom képviselői a középkori vérvádat felelevenítve azzal vádolták meg a helyi zsidókat, hogy ők követtek el rituális gyilkosságot.
Részlet Elek Judit Tutajosok (1990) című filmjéből, ami a tiszaeszlári vérvádról szól
A per Nyíregyházán lefolytatott végtárgyalásán, 1883. június 20. és augusztus 3. között a védelmet Eötvös látta el. Híres, hétórás védőbeszédében bebizonyította, hogy antiszemitizmusra épülő, koholt vádakról van szó, a lány vízbe fulladt, a szerencsétlenséghez a helyi zsidó közösség tagjainak semmi közük sincs. A bíróság végül mind a 15 vádlottat felmentette, Eötvöst pedig, aki
egyházzal, állammal és az elvakított tömegekkel szembekerülve, zsidóellenes támadások céltáblájaként bizonyította be a vádlottak ártatlanságát, szárnyára kapta a világhír.
A "kávéházi örök csevegő" az 1880-as évektől országos intézménynek, befolyásos politikai tényezőnek számított. Egy időre visszavonult a politikától, majd 1887-től Nagykőrös képviselőjévé választották meg, 1910-ig maradt a törvényhozás tagja. Rövid ideig a Függetlenségi és 48-as Párt elnöke volt, de egyházpolitikai nézeteltérések miatt 1893-ban több társával megalapította a Függetlenségi Néppártot, korábbi pártjával 1899-ben szakított végleg. Ezt követően függetlenként, a Bánffy Dezső-féle Új Párt, 1910-től a Tisza István vezette Nemzeti Munkapárt színeiben politizált, de mandátumhoz 1905 után már nem jutott.
Ügyvédi és politikusi tevékenysége mellett hírlapírással is foglalkozott. 1865-ben indította meg a Veszprém című politikai hetilapot, amely szerkesztésében két éven át jelent meg. Az 1870-es évek elején a Deák-párt lapjának, a Pesti Naplónak, 1878-tól a Függetlenségi Párt lapjának, az Egyetértésnek volt vezető publicistája. Hosszabb-rövidebb ideig több újságnak, köztük a Vasárnapi Újságnak és a Pesti Hírlapnak is írt cikkeket, e lapokban számos irodalmi műve is megjelent.
Irodalmi munkássága a századfordulón teljesedett ki, és
amikor 1910-ben végleg visszavonult a politikától, már csak az írásnak élt.
Politikai, kultúrtörténeti és szépirodalmi műveket írt, a Révai Kiadó 1900-tól jelentette meg összes műveit 24 kötetben.
Maradandó és élvezetes könyve az Utazás a Balaton körül és A balatoni utazás vége című emlékezés- és novellafüzér, kitűnőek életrajzai (Deák Ferenc és családja, A Jókay-nemzetség), valamint közéleti arcképei (Magyar alakok). Legfontosabb és legismertebb műve az 1904-ben megjelent A nagy per, amely ezer éve folyik, és még sincs vége, ebben a tiszaeszlári vérvádper kapcsán tárgyalja az antiszemitizmus társadalmi és lélektani kérdéskörét. 1915-ben bemutatták Böthök uram szerencséje című drámáját is, Nazarénusok című írása a gyülekezet magyarországi létrejöttének történetét meséli el.
Eötvös az első világháború közeledtekor az Abbázia kávéházi törzsasztalától is visszavonult. Hetvennégy éves korában, 1916. április 13-án halt meg Budapesten.
Az ő nevét viseli a Veszprémi megyei könyvtár, a 2003-ban alapított Eötvös Károly Közpolitikai Intézet, valamint a Káli-medencében található Fekete-hegy legmagasabb pontján épített kilátó.
