Charles est le fils de Henri Ier de Montmorency (1534-1591), maréchal de France et amiral de France sous le règne de Charles IX puis Henri III et Henri IV. Il commence sa carrière militaire très jeune, sous les ordres de son père. En 1588, à l'âge de 20 ans, il est nommé gouverneur de Pontoise par Henri III.
Il se signale dans les guerres de religion qui agitent la France au XVIe siècle. Il participe aux batailles de Coutras en 1587 et de Fontaine-Française en 1595, où il est blessé. En 1620, à l'âge de 53 ans, il mène une armée royale contre les troupes huguenotes dans la région de La Rochelle, ville protestante assiégée depuis 1621.
Charles de Montmorency occupe plusieurs charges politiques au cours de sa vie. En 1589, à l'âge de 22 ans, il est élu député aux États généraux par la province de Picardie et participe à la rédaction des Articles de Montjudic, une proposition de traité entre le roi Henri III et les États généraux. Il est également nommé lieutenant général du Hainaut en 1602 et grand maître de l'hôtel du Roi en 1623.
Charles de Montmorency épouse en premières noces Marguerite de Lorraine, fille de Charles III, duc de Guise, en 1594. Ils ont un fils ensemble, Henri, qui succède à son père comme comte de Damville et grand maître de l'hôtel du Roi. En secondes noces, il épouse Antoinette de Clermont, sœur du maréchal de Clermont-Tonnerre, en 1612.
Charles de Montmorency meurt le 24 avril 1632 à Paris. Il est inhumé dans l'église des Cordeliers de cette ville. Sa vie et son action militaires ont été évoqués par de nombreux auteurs, tels que Pierre de Saint-Marcaux ou Louis Moreri.