Tháng 5 năm 1897, Hoàng tử Carl đã đính hôn với công chúa Ingeborg của Đan Mạch. Họ kết hôn vào ngày 27 tháng 8 năm 1897 tại lâu đài Christiansborg ở Copenhagenư và dành chuyến hưởng tuần trăng mật tại Đức. Công chúa Ingeborg là con gái thứ hai của Vua Frederick VIII của Đan Mạch và Louise của Thụy Điển.

Họ có bốn người con:

1. Công chúa Margaretha của Thụy Điển (1899-1977).
2. Công chúa Martha của Thụy Điển, sau đó Thái tử phi của Na Uy (1901-1954).
3. Công chúa Astrid của Thụy Điển, sau là Hoàng hậu của Bỉ (1905-1935).
4. Hoàng tử Carl, Công tước xứ Östergötland, được gọi là Carl Jr, sau đó Hoàng tử nhà Bernadotte, tại Bỉ (1911-2003).

Năm 1947, nhân dịp kỷ niệm ngày cưới của họ, Carl thừa nhận rằng cuộc hôn nhân của họ đã hoàn toàn được sắp xếp bởi những cha của ông, và Công chúa Ingeborg nói thêm: "Tôi kết hôn với một người lạ!".