Карл Линдеманн родился в Эльзасе в семье фабриканта Карла Августа Филиппа Линдеманна (1776–1828) и Катарины Филиппины Фроммель (1787–1841), которая была сестрой известного художника и гравёра Карла Людвига Фроммеля.

Когда Карлу было девять лет, его отец умер, и опеку над детьми взял на себя его дядя, профессор живописи Карл Фроммель, живший и работавший в г. Карлсруэ и занимавший в те годы должность директора герцогских картинных галерей. Фроммель, позже усыновивший племянника, оказал огромное влияние на жизнь Карла Линдеманна и на его творчество. Под его началом Карл Линдеманн учился живописи, рисунку и гравюре. Вторым влиятельным учителем был Карл Роттманн.

С 1844 по 1849-й год Линдеманн путешествовал по Италии, которая потом станет его второй родиной. Некоторое время художник жил в Париже и в Мюнхене, где продолжал обучаться живописи. В 1851 году Карл Линдеманн женился на Августе Луизе Каролине Фрайин фон Ракнитц. В 1852 году в Мюнхене родился его сын — Манфред Линдеманн-Фроммель, унаследовавший от отца талант художника и ставший впоследствии маринистом, архитектором и профессором искусств.

В 1856 году Линдеманна пригласили в Рим на должность профессора Академии святого Луки. В Риме Карл Линдеманн-Фроммель жил и работал до своей смерти в 1891 году.