Il est né à Genève, en Suisse, mais a grandi à New York aux États-Unis où il a obtenu son doctorat en mathématiques appliquées à l'Université Cornell en 1942. Il a rejoint ensuite le National Institutes of Health (NIH) où il a commencé à travailler dans le domaine de la virologie, notamment sur les virus des maladies infectieuses telles que la rougeole et la poliomyélite.
En 1953, Charles-Ros Sabin a été chargé par l'Organisation mondiale de la santé (OMS) de développer une méthode pour évaluer le taux d'immunité dans la population. Il a ainsi créé la courbe Sabin-Feldman qui permet, à partir du nombre de doses nécessaires pour provoquer un réaction immunitaire chez un sujet, de calculer le taux de pré-exposition de la population à l'antigène en question.
En 1957, Sabin a commencé à travailler sur le développement d'une vaccination contre la poliomyélite et a créé une version atténuée du virus qui devint connue sous le nom de vaccin oral de Sabin. Ce vaccin est toujours utilisé aujourd'hui dans les campagnes de vaccination en Amérique latine, Asie et Afrique du Sud.
Charles-Ros Sabin a été récompensé pour ses travaux par le prix Lasker pour la recherche médicale fondamentale en 1978, ainsi que le prix Nobel de médecine en 1954 (il ne fut pas crédité car c'était une reconnaissance collective). Il est également membre élu de l'Académie nationale des sciences des États-Unis et a reçu la médaille national du Mérite pour ses réalisations scientifiques.
Charles-Ros Sabin est décédé le 28 août 2002 à son domicile à Bethesda, dans le Maryland. Sa contribution à la théorie mathématique de l'immunité et au développement du vaccin oral contre la poliomyélite ont été cruciales pour améliorer la santé publique mondiale.