Natural da cidade de São Paulo, Carlos Afonso Nobre é membro da Academia Brasileira de Ciências. Formou-se em Engenharia Eletrônica em 1974, no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em São José dos Campos. No final de 1975, ingressou no Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), em Manaus, o que despertou seu interesse científico pela Amazônia. Porém, para desenvolver pesquisa ambiental sobre aquela região faltava-lhe formação específica. Foi buscá-la através de doutorado em Meteorologia no Massachusetts Institute of Technology (MIT), nos EUA, onde permaneceu de 1977 a 1982, e envolveu-se com meteorologia dinâmica da região tropical, trabalhando com o prof. J. Charney e o prof. J. Shukla. Em 1983, ele se juntou ao INPE, onde é cientista sênior atualmente. Por mais de 30 anos têm se envolvido em estudos na região da Amazônia, participado e coordenado diversos experimentos científicos observacionais na Amazônia nos anos 80 e 90, como, por exemplo, o experimento Anglo-Brasileiro de Observações do Clima Amazônico (ABRACOS), de 1990 a 1996. Em 1988, como pesquisador visitante na Universidade de Maryland, desenvolveu estudos pioneiros sobre os impactos climáticos dos desmatamentos amazônicos.

Em 1991, formulou a hipótese pioneira da possível savanização da Amazônia, que é hoje uma importante teoria de referência no mundo. De 1993 a 2000, atuou como coordenador científico e liderou a implementação do Experimento de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia (LBA). De 1991 a 2003, assumiu a chefia do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), do INPE e de 2008 a 2011 assumiu a chefia do Centro de Ciência do Sistema Terrestre (CCST-INPE). Atualmente é Secretário da Secretaria Políticas e Programas de Pesquisa e Desenvolvimento-SEPED do Ministério da Ciência e Tecnologia e Inivação-MCTI. É membro da Academia Brasileira de Ciências e da Academia de Ciências para Nações em Desenvolvimento (TWAS) e chefe do comitê científico do International Geosphere Biosphere Programme (IGBP). É um dos autores do Quarto Relatório do Painel Intergovernamental em Mudanças Climáticas (IPCC), o qual foi agraciado com o Prêmio Nobel da Paz em 2007, juntamente com o ex Vice-presidente Al Gore.

Em 2007 ele recebeu o Prêmio da Fundação Conrado para o meio ambiente, e o Troféu José Pelúcio Ferreira – Prêmio FINEP de Inovação Tecnológica. Em 2009 recebeu o prêmio Personalidade Ambiental do WWF (World Wildlife Fund). Em 2010 recebeu a Medalha Anchieta pela cidade de São Paulo e a prestigiada medalha Alexander von Humbolt da European Geophysical Union (AGU). Carlos Nobre é autor e co-autor de mais de 130 artigos científicos, livros e capítulos de livros, que já foram citados mais de 3,000 vezes na literatura científica. Já orientou 30 alunos de mestrado e doutorado. Têm participado de comitês científicos nacionais e internacionais, na área climática e ambiental, por exemplo, como presidente da comissão de cursos multidisciplinares da CAPES de 2004 a 2007.

Tem dedicado sua carreira científica à Amazônia e desenvolveu pesquisas pioneiras sobre os impactos climáticos do desmatamento da Amazônia, formulando, em 1991, a hipótese da "savanização" da floresta tropical em resposta aos desmatamentos e ao aquecimento global, hipótese esta que vem sendo estudada em todo o mundo. Carlos é membro da Academia Brasileira de Ciências e da Academia de Ciências para Nações em Desenvolvimento (TWAS) e chefe do comitê científico do International Geosphere Biosphere Programme (IGBP). É autor e co-autor de mais de 130 artigos científicos, livros e capítulos de livros.