Родился в 1805 г. в Мюнхене и был сыном действительного статского советника барона Фёдора Яковлевича Бюлера от брака его с баронессою Броун; детство свое провел за границей, где отец его занимал различные должности по дипломатической части. В 1816 г. во время конгресса в Вене, где жила в то время семья Бюлеров, император Александр I пожаловал молодого барона Карла Фёдоровича в пажи Высочайшего двора, и с этого времени началась его служебная карьера. В 1820 г. он поступил юнкером в Лейб-гвардии Конный полк, откуда вскоре был произведён в офицеры в формировавшийся тогда в Варшаве под личным наблюдением цесаревича Константина Павловича Лейб-гвардии Гродненский гусарский полк. Во время Польского мятежа 1831 г. барон Бюлер состоял адъютантом сперва у генерала Пенхержевского, а потом у графа Крейца, сделал с Гродненским гусарским полком всю кампанию и участвовал во взятии Варшавы. Получив в командование Клястицкий гусарский полк, он в течение десяти лет состоял командиром сперва этого полка, а потом Кирасирского Военного Ордена полка. Император Николай I был очень доволен блестящим состоянием полка и впоследствии всегда ставил его в пример служебного совершенства. 26 ноября 1850 г. Бюлер был удостоен ордена св. Георгия 4-й степени (№ 8370 по списку Григоровича—Степанова).
В 1854 г., когда открылись военные действия на Дунае, барон Бюлер был назначен начальником 1-й бригады 4-й лёгкой кавалерийской дивизии и, сдав свой полк светлейшему князю В. Д. Голицыну, отправился в действующую армию и при осаде крепости Силистрии все время командовал аванпостами. Когда наши войска стали возвращаться в пределы России, барон Бюлер по приказанию главнокомандующего русской армией князя М. Д. Горчакова охранял Очаков и исполнял другие его поручения. По заключении мира он был назначен начальником 5-й легкой кавалерийской дивизии, и в скором времени был произведён в генерал-лейтенанты. Назначенный в 1862 г. начальником 2-й гвардейской кавалерийской дивизии барон Бюлер при образовании военных округов получил высшее назначение состоять помощником Его Императорского Высочества главнокомандующего Санкт-Петербургским военным округом. 22 июля 1864 г. он был пожалован в генерал-адъютанты, а 30 августа 1866 г. получил орден Белого Орла. Кроме того, он состоял членом совета Государственного коннозаводства. Уехав 15 мая 1868 г. в заграничный отпуск, барон Бюлер отправился в Швейцарию и 23 июля скончался скоропостижно в имении своей племянницы графини Силис; погребен в Цицерсе.
