Carlo Rambaldi si laurea all'Accademia di Belle Arti di Bologna nel 1951. L'anno dopo con la scultura elettrica semovente Preistoria '73 partecipa al concorso Forme nel verde di San Quirico D'Orcia, accanto ad artisti come Giacomo Manzi. Inaugura così un periodo di ricerca in ambito pittorico e scultoreo. Fin dall'infanzia è presente in lui l'interesse per la meccanica del movimento, interesse che viene coltivato anche in età adulta, che si rivelerà come una costante del suo lavoro, e che lo porta ad approfondire, in parallelo all'attività artistica, studi di elettromeccanica e anatomia (in particolare la struttura ossea e muscolare umana).

Rambaldi aderisce alla nuova corrente neorealista, vicina al cubismo, traendo ispirazione dalle opere di Renato Guttuso e Pablo Picasso. Tra il 1952 e il '57 riceve importanti riconoscimenti per opere di pittura e incisione. L'incontro con il mondo del cinema avviene nel 1956: durante un soggiorno a Roma gli viene proposto di costruire un drago per il lungometraggio Sigfrido. Si trasferisce definitivamente nella capitale e lavora per circa vent'anni con registi come Marco Ferreri, Federico Fellini, Pier Paolo Pasolini, Mario Monicelli e Dario Argento. Nel 1976 viene coinvolto nella lavorazione di King Kong e collabora con un Dino De Laurentiis agli esordi. Si inaugura un binomio di successo con il produttore italiano e il fortunato periodo americano di Rambaldi.

Si trasferisce negli Stati Uniti e, nel 1977, viene premiato con l'Oscar per gli effetti speciali del film King Kong. Dai suoi studi interdisciplinari nascono prototipi all'avanguardia che gli valgono i diritti di copyright sui meccanismi di movimento di creature quadrupedi, alate e sull'intera gamma delle espressioni facciali umane. Nel 1980 e nell'83 viene insignito di altri due premi Oscar: per il mostro di Alien e per E.T.L'Extraterrestre.

Nel frattempo Rambaldi integra i suoi studi di fisica, elettromeccanica e anatomia con nuove discipline come la cibernetica. In questa evoluzione si inquadrano anche i recenti sviluppi in direzione del digitale e della grafica computerizzata 3D. In particolare il progetto Astrokids, che prevede la creazione di atmosfere e personaggi spaziali per una serie televisiva realizzata tutta al computer.

Il 1996 è l'anno del suo rientro definitivo in Italia e della nascita a Terni dell'Accademia Europea degli Effetti Speciali dove, sotto la sua supervisione, vengono formati i nuovi professionisti del cinema del terzo millennio.