A Frankfurthoz közeli Bad Homburg vor der Höhében látta meg a napvilágot egy hesseni kamarás és egy magyar anya nyolcadik, legkisebb gyermekeként. Kilencéves volt, amikor apja meghalt, anyja pedig visszaköltözött Magyarországra. A gimnáziumot a pesti piaristáknál végezte, rajztehetsége már ekkor megmutatkozott. Eleinte szobrásznak készült, majd Marastoni Jakab festőiskolájába iratkozott be, ahol a szabadságharc eseményeiről készített rajzokat. Később Weber Henriknél folytatta tanulmányait.
1852-ben Bécsbe ment, ahol rövid ideig Hanns Gasser szobrász magánműhelyét látogatta, majd Carl Rahl festőiskolájának növendéke lett. Itt találkozott először a falképfestészettel, és mint tehetséges tanítvány hamarosan Rahl kartonjainak kivitelezőjeként dolgozott. Mestere nagyobb munkáinál segédként alkalmazta, így számos freskót festett főúri és nagypolgári palotákban: közreműködött a belvárosi görög negyedben épülő ortodox katedrális, a Todesco-palota, a Hadtörténeti Múzeum (Arzenál) fal- és mennyezetképeinek festésében.
Itthon 1853-tól állított ki, de csak 1864-ben, Rahl halála után tért haza végleg. Bécsi tartózkodása alatt és hazatérte után is több, az Alföld romantikája ihlette olajképet készített, amelyekkel nagy sikereket aratott. Festett magyar népéletképet, csikós- és ménesképet, alföldi tájképet, pusztai zivatart ábrázoló festményt, akvarell- és temperatanulmányt. Foglalkozott újság- és folyóirat-illusztrálással, ő készítette a legsikerültebb illusztrációkat az 1859 utáni kiadásokban a János vitézhez és más Petőfi-művekhez.
A pesti építkezések fellendülése monumentális feladatokhoz juttatta. 1864-ben nagy sikert ért el a Vigadó lépcsőházának magyar mondavilágból táplálkozó falképeivel, amelyre Than Mórral együtt kapott megbízatást, ettől kezdve elhalmozták főúri, állami és egyházi megrendelésekkel. 1873-ban a Vigadó étterme 28 medalionjának, 1874-ben – Than Mórral együtt – a Magyar Nemzeti Múzeum lépcsőházának freskóit készítette el. Ezeknél még Rahl hatása érződik, alakjai nagyok, nehézkesek, színei sötétek.
Lotz igazi egyénisége az Egyetemi Könyvtár falfestményein (1875–76) kezdett el kibontakozni. A Markó utcai Berzsenyi Gimnázium, a Nemzeti Múzeum szomszédságában álló Ádám-palota, az Andrássy úti Régi Műcsarnok és Erdődy-villa festményein színei fokról fokra felderülnek, emberalakjai karcsúbbak lesznek. Különböző mitologikus, bibliai és történeti freskókat festett a ferencvárosi templomban, az Andrássy úti Terézvárosi Kaszinóban (későbbi nevei Divatcsarnok, majd Párisi Nagy Áruház), illetve a Keleti pályaudvar érkezési oldalának csarnokában.
Életművének javát a monumentális falképek teszik ki, de mindvégig készített táblaképeket is. Freskói az architektúra szerves részeivé váltak, követték az építészet stílusfejlődését. Jó kapcsolatot ápolt korának építészeivel, évtizedeken át dolgozott együtt Ybl Miklóssal, valamint Hauszmann Alajossal, akihez baráti szálak fűzték. Fő művének az Operaház nézőterének mennyezetfreskóját tartják (1884): az Olimposzt ábrázoló, ragyogó színekkel megfestett kép az építészeti megoldás tökéletes kiegészítője. Hírnevét öregbíti az MTA nagytermének két triptichonja (1887–91), a tihanyi apátsági templom (Székely Bertalannal és Deák-Ébner Lajossal), a budai Mátyás-templom festményei (Székely Bertalannal), a Kúria nagy csarnoka (1894), az Országház lépcsőháza (1896–97), továbbá a Szent István Bazilika pillérmozaikjai, kupola- és boltívképei (1894–99).
Falképei mellett számos arcképet, idealizáló kompozíciót és frivol aktot is festett. Arcképeinek és mitológiai tárgyú aktképeinek (Bacchánsnők, Psyché, Fürdés után) modelljei nevelt lányai – Ilona és rajongott Kornéliája – voltak. Pedagógiai tevékenységet is folytatott. 1882-től a Mintarajztanoda tanára, 1885-től a Női Festőiskola igazgató-tanára, 1887-től a II. Festészeti Mesteriskola tanára, majd vezetője volt. 1896-ban megkapta a Szent István-rend kiskeresztjét.
Lotz Károly 1903-ban, már betegen készítette el utolsó nagy művét, a királyi várpalota Habsburg-termének mennyezetképét, az állványokra hordszéken vitték fel. Utolsó percéig dolgozott, mígnem 1904. október 13-án egy kisgyermek arcképének festése közben végleg ki nem hullott az ecset a kezéből. A Műcsarnokban ravatalozták fel, síremléke a Fiumei úti temetőben található. Nevét több utca viseli.
A nyitóképen Lotz Károly Ménes a zivatarban (1862, részlet) című festménye.
