Karl Stieler wird als Sohn des königlich-bayerischen Hofmalers Joseph Stieler (1781-1858) und dessen zweiter Frau Josephine von Miller in München geboren. Trotz seiner literarischen Neigungen hegt er einige Zeit den Wunsch, wie sein Vater Maler zu werden. Er entscheidet sich aber fürs Jusstudium, das er 1869 mit dem Staatsexamen und der Promotion abschließt. Am Bayerischen Reichsarchiv München wird er als Archivbeamter angestellt. Seit 1882 ist er hier Assessor.

Am 27. Mai 1871 heiratet Stieler die Nürnberger Kaufmannstochter Mary Bischof, mit der er drei Töchter hat, von denen Dora Stieler (1875-1957) die dichterische Begabung des Vaters erben und drei Gedichtbände in Hochdeutsch und Mundart veröffentlichen wird. Karl Stieler selbst gehört wie seine Dichterkollegen Paul Heyse und Emanuel Geibel der literarischen Vereinigung „Die Krokodile“ an und beteiligt sich an der Herausgabe illustrierter Prachtfolianten der Gründerzeit.

Seine eigenen literarischen Früchte kommen in Form von Reisebildern in Zeitungen, Zeitschriften und Büchern, aber auch Gedichtbänden zum Ausdruck. Bereits 1865 erscheint sein Lyrikband Bergbleamln, 1869 das Buch Posthornklänge mit Reisebildern. Sowohl schriftdeutsche Gedichte (Hochlandslieder, 1879; Neue Hochlandslieder, 1881; Ein Winteridyll, 1885) als auch – an Franz von Kobell erinnernde – Mundartlyrik (Weil's mi freut!, 1876; Habt's a Schneid!?, 1877; A Hochzeit im Gebirg, 1880; In der Sommerfrisch, 1883) zählen zu Stielers dichterischem Repertoire. Viele seiner Dichtungen entstehen in seinem Haus am Tegernsee.

In seinen Erlebniswelten konkurrieren der intellektuelle Großstädter und der volksnahe, auf die Jagd gehende naturverbundene Hochländer. Seine lyrischen Genrebilder aus dem Leben der bayerischen Landbevölkerung oszillieren dabei zwischen düster-satirischer und humoristischer Färbung. Weniger Erfolg haben indes seine „Stimmungsbilder“ aus dem Krieg von 1870/71, die 1886 postum unter dem Titel Durch Krieg und Frieden herauskommen und von deutschnationalem Hurrapatriotismus durchzogen sind.

Im Winter 1884/85 zieht sich Stieler eine schwerwiegende Erkältung zu, von der er sich nicht mehr erholt: Nach einer Kahnfahrt im März 1885 wird er mit hohem Fieber nach München zurücktransportiert. Am 12. April 1885 stirbt Stieler in seiner Wohnung und wird drei Tage später nach Tegernsee überführt und auf dem dortigen Friedhof beigesetzt.

Heute erinnern an den Dichter das Karl-Stieler-Denkmal am Leeberghang in Tegernsee und nicht zuletzt das Stielerhaus in der Seestraße 74 direkt an der Point. Das biedermeierliche Sommerhaus mit Atelier wurde von Karl Stielers Vater, dem Hofmaler Joseph Karl Stieler (1781-1858), nach Erwerb des Grundstücks 1829 als eines der ersten Stadthäuser am Tegernsee erbaut und gab bald das Vorbild ab für weitere Ansiedelungen bedeutender Künstler im Gefolge des königlichen Hofes im Tegernseer Tal. Heute befindet sich in diesem Haus das Westerhof-Café, in dem Lesungen, Konzerte, kulinarische Themen-Abende sowie Vorträge und Präsentationen stattfinden.