Fillo do médico rural José Velo Castro e de Dolores Cobelas Alberte, Carlos naceu no lugar de Pereiros, na vila ourensán de Cartelle. Fixo o ensino primario na escola da aldea e ós dez anos xa estaba no instituto de Ourense, onde remata o bacharelato en 1925 con premio extraordinario. Nun ambiente intelectual e cultural moi galeguizado daquela na capital provincial, fixo amizade cos irmáns Lourenzo, sobre todo con Xaquín, e comezou a súa afección ó cine, primeiro como espectador e despois como membro dun peculiar equipo de filmadores con Augusto Pacheco, Antonio Román e o propio Xaquín Lourenzo "Xocas", reunidos por veces no estudio fotográfico do pai do primeiro, José Pacheco.
De seguido graduouse como mestre nacional na Escola Normal, onde frecuentan as aulas de persoeiros como Otero Pedraio e Vicente Risco. Marcha a Madrid obedecendo o desexo paterno de facerse médico, pero matricúlase por libre en Bioloxia, a súa verdadeira paixón. Licenciase en Ciencias Naturais en 1932 e, entre 1933 e 1935, exerce de profesor auxiliar de entomoloxía na Universidade de Madrid. Tamén impartirá clases de historia natural, fisioloxía e nocións de física e química no madrileño instituto de ensino medio Lagasca.
No Madrid deses anos, Carlos Velo segue tamén os acontecementos da época e a canle máis efectiva para interesarse pola acción política é o cine, a través da Residencia de Estudiantes e das sesións do cineclub Español, activo entre 1929 e 1931 por iniciativa de Buñuel, Giménez Caballero e o circulo da revista La Gaceta Literaria. Velo estaba entre os conferenciantes presentadores dos filmes. Entusiasmado por esa nova actividade, cofunda en 1933 o cineclub da Federación Universitaria Escolar (F.U.E), asociación da que era membro e como tal participaba nas Misiones Pedagógicas da Institución Libre de Enseñanza.
Chegaría a ser comisario xeral da Unión Federal de Estudiantes Hispanos, que agrupaba tódalas federacións universitarias escolares. Velo descubriría os filmes de Flaherty, Eisenstein, Dovjenko, Pudovkin ou Vertov, que nel influirán decisivamente cando faga o paso ás cámaras. Como dirixente cineclubista a experiencia seria curta (un ano escaso) pero intensa: visita en París a Henri Langlois cofundador xunto a Georges Franju do cineclub Cercle du Cinema, pouco tempo despois convertido na Cinématéque Francaise. Proxecta en Madrid o polémico e prohibido filme La Edad de Oro e relaciónase con Luis Buñuel, co que xa fixera en Madrid un curioso contacto anos antes a través das formigas de "Un perro andaluz": o director aragonés pediralle desde París ó Museo Nacional de Ciencias Naturales formigas españolas "porque as francesas eran parvas e non servían" e o encargo recaeu en Velo.
Interesáballe tamén a fotografía. Cunha novidosa cámara Leica, agasallo paterno, experimentaba con este medio, claramente influenciado polo surrealismo e as vangardas de finais dos anos vinte. Xa durante a República fixo o seu doutoramento sobre uns reflexos das abellas que lles permitían comunicarse entre elas. Primeiro presentou a tese por escrito, pero foi rexeitada polo tribunal. Animado a demostralo con fotografías por María Luisa Santullano, Marilyn, unha alumna que logo sería a súa dona, Velo decide seguir adiante coa proposta, filmando a tese en 16 mm coa colaboración do seu compañeiro e amigo Guillermo Fernández Zúñiga, que logo retomaría aquel traballo co título "Aventura de los Ápidos Apis".
Coa chegada de 1934 comeza a súa andaina como autor de curtametraxes documentais. Nese ano, e con Fernando Gutiérrez Mantilla en labores de produción pese a figurar nos títulos como codirector, filma La ciudad y el campo e, ó ano seguinte, Felipe II y El Escorial, Tarragona (Tarraco Augusta), pero sobre todo o experimental "Infinitos" e o antropolóxico "Almadrabas", que, a xuízo da crítica da época, se situaban como os curtametraxes máis cualificados da República. Xa en 1936 fará a súa obra mestra "Galicia" (co título alternativo de Finis Terrae), que recibe un premio na Exposición Internacional de París de 1937 cun xurado presidido por Buñuel e no que tamén estaba Max Aub. Cos descartes desta filmación, argallados por Mantilla xa sen a participación de Velo —agachado primeiro por Segovia, onde se atopaba preparando oposicións á cátedra cando a insurrección de Franco, e máis tarde por terras ourensás de Cartelle e Lobeira antes de fuxir a Sevilla—, aínda se presentaría "Santiago de Compostela" (tamén coñecido por Saudade).
Carlos Velo deixa España en febreiro de 1938 e ata novembro filmará no norte de África a longametraxe documental de ton antropolóxico "Romancero marroquí", da que fai unha primeira versión para de seguido viaxar ós estudios UFA de Berlín coa fin de rematala. Así a todo, chegados a Tánger, Velo e a súa dona pasan á zona republicana na Península, que era a súa verdadeira intención, e finalmente a Francia en febreiro de 1939, onde quedará internado, como tantos refuxiados españois, no campo de concentración de Saint-Cyprien, mentres a súa dona ficaba agochada en París. Por fin embarcan no trasatlántico Flandre cara a México, a onde chegan a finais da primavera polo porto de Veracruz. "Romancero marroquí" estrearáse cunha montaxe manipulada á que se lle engadiron novas secuencias máis acorde co novo réxime dictatorial e a súa política colonial.
En México, despois de numerosas peripecias, recuperará o cine como eixo vital, pero sen esquecer a súa condición de biólogo. En xullo de 1939, Velo asume a secretaría xeral do Comité Técnico de Ayuda a los Republicanos Españoles. En 1942 colaborará na fundación da revista Saudade xunto ó arquitecto Xosé Caridad Mateo, o poeta Florencio Delgado Gurriarán e o profesor Ramiro Illa Couto. As inquedanzas literarias de Velo xa tiveran bo reflexo no excelente relato Galicia, paisaje de sangre, publicado en 1940 na revista España Peregrina. Entre 1940 e 1944 imparte clases de bioloxía no Instituto Politécnico Nacional e na Universidade de San Nicolás de Hidalgo, en Morelia, pero abandona o ensino deprimido pola repentina morte da súa dona, que o deixa con dous fillos, Teresa e Luis. Retoma o seu contacto co cine e, en 1944, gaña como coguionista un premio Ariel por "Entre hermanos", filme de Ramón Peón, que Velo non pode dirixir por carecer de licenza en México.
En 1946 o xeneral Juan F. Azcárate encárgalle a dirección do Noticiero Mexicano Ema, de exhibición obrigatoria nos cines, no que estará ata 1953 coordinando varios equipos de produción que ofrecerán informacións e reportaxes de todo tipo. O propio Velo filmará algúns monográficos nesta etapa, como Un día en la radio (1947). En 1952 coñece ó produtor independente Manuel Barbachano Ponce, que ven desde Norteamérica disposto a renovalo cine do seu país. Barbachano merca o Noticiero Mexicano e proponlle a Velo o semanario Tele-Revista e máis tarde fai o cultural Cine-Verdad, un proxecto que entusiasma ó realizador galego. Poñen en marcha Raíces, que Velo non poderá filmar pola oposición do poderoso Sindicato de Trabajadores de la Producción Cinematográfica e aparecerá asinada por Benito Alazraki. A película, de forte contido antropolóxico, recibe un importante premio en Cannes e, co paso dos anos, a critica nacional e internacional coincidirá en considerar a Velo como o seu verdadeiro autor.
Nestes primeiros anos de exilio non perde contacto co entorno galego e, xunto a Luis Soto e outros persoeiros, axuda en 1953 á fundación do Padroado da Cultura Galega, que máis tarde presidiría ata mediados dos anos sesenta. Entre as súas actividades estará a emisión radial semanal Hora de Galiza, a celebración do Dia de Galiza e a revista Vieiros, cofundada por Velo (1959 a 1968).
En 1956 dirixe a súa primeira longametraxe, para moitos a orixe do formato docudrama pola súa mestura de documental e ficción arredor do espada Luis Procuna. Trátase de "Torero!", presentada en Cannes e Venecia co parabén de críticos como Sadoul e Truffaut ó tempo que lle daría sona internacional, recibindo numerosos galardóns, entre eles unha preselección para o Oscar. Nese mesmo ano envía ó I Congreso da Emigración Galega en Buenos Aires a súa revolucionaria proposta para un Centro Cinematográfico Galego que nunca se chegaría a materializar. Segué a traballar para a produtora de Barbachano en Nazarín (L. Buñuel) e Sonatas (Bardem), mentres prepara o seu seguinte proxecto, a ficción de "Pedro Páramo", finalmente presentada en 1966 despois dunha traballosa xestación de seis anos. A polémica levantada pola súa estrea aféctalle fortemente e apostará por un cinemáis lixeiro a partir do seu casamento en 1966 coa produtora Angélica Ortiz. Ata 1969 fará catro comedias —Don Juan 67, Cinco de chocolate y uno de fresa, Alguien nos quiere matar e El medio pelo— que a penas acadaron repercusión no mercado interior.
Galicia segue moi presente na súa actividade. En abril de 1961 pasa a presidir a Delegación do Consello de Galiza en México, dende a que manterá posturas máis radicais cas do grupo de Buenos Aires. Será dende esa posición cando en 1962 escribe a súa Carta ó Fato Brais Pinto, texto considerado o xermolo simbólico que levaría, dous anos despois, á creación da UPG.
Divorciado, volve ó documental e traballa para o sexenio do presidente Echevarría dirixindo en 1971 o Centro de Producción de Cortometraje, onde impulsará unha renovación do cine azteca. En 1972 funda o Centro de Capacitación Cinematográfica, inaugurado tres anos despois, tendo como presidente de honra a Luis Buñuel. Segue a facer documentais cos seus equipos, como Universidad comprometida e Homenaje a León Felipe e, dende España, comezan a chegarlle os recoñecementos. En 1976, a Filmoteca Española faille unha homenaxe polo seu labor á fronte do Centro de Capacitación Cinematográfica. O mesmo sucede co Círculo de Escritores Cinematográficos. Ó ano seguinte, as V Xornadas de Cine de Ourense promoven unha primeira homenaxe galega a prol do intelectual de Cartelle, que apoia, coa súa presenza e sen condicións, a reivindicación dun cinema propio. Con todo, Velo coñecerá co sexenio Portillo o período máis doloroso da súa estadía en México. Coa irmá do presidente, Margarita Portillo, á fronte da política cinematográfica, Velo será un dos represaliados baixo a acusación de malversación de fondos, imputación que rexeita radicalmente. Ingresa na cadea no verán de 1979 e non sairá ata finais dese mesmo ano, libre de cargos logo de provocar un forte movemento solidario en México, encabezado por Buñuel, e tamén en Galicia. Coa saúde moi desmellorada polo incidente, en 1982 o Ministerio de Cultura español encárgalle a serie Los españoles republicanos en el exilio para acompañar unha exposición presentada en Madrid arredor do tema. Coa presidencia de De la Madrid, Velo reincorpórase novamente á vida institucional mexicana. En 1984 noméano subdirector de medios audiovisuais no Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, que el mesmo axudara a fundar.
No seu último período vital, aínda recibirá novos recoñecementos desde Galicia, como o premio Mestre Mateo da Xunta de Galicia en 1983 e a homenaxe en 1985 nas Xornadas de Cine e Vídeo en Galicia, Xociviga, celebradas no Carballiño. Sen deixar de traballar no audiovisual, en 1987 pasa por varias operacións cirúrxicas para aliviar un cancro que finalmente o leva á morte o 1 de marzo de 1988. O audiovisual mexicano sen excepcións declarouse en loito e profesionais e me¬dios de comunicación recoñecían unanimemente a súa contribución ó desenvolvemento cultural e cinematográfico do país ó longo de case medio século.