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Karl stammte aus dem westfränkischen Zweig des Geschlechts der Karolinger, das damals im Ostfrankenreich bereits ausgestorben war, im Westfrankenreich aber noch die herrschende Königsdynastie war.
Er war ein Enkel von Karl III. dem Einfältigen, König von Westfranken (898–922) und König von Niederlothringen (911–922), der 922 abgesetzt wurde und 929 verstarb; aus dessen zweiter Ehe mit Edgiva von Wessex († nach 951) einer Tochter von König Eduard I. von Wessex.
Seine Eltern waren der westfränkische König Ludwig IV. genannt der Überseeische († 10. September 954) und dessen Gemahlin Gerberga von Sachsen († 5. Mai 984), eine Schwester von Kaiser Otto I. dem Großen.