Hijo de Giovanni Battista, originario de Pistoia, y de Dionora Riveri; a través de su madre estaba emparentado con Lelio Colista. Pasó casi toda su carrera en Roma. Cuando todavía era un niño entró al servicio del príncipe Camillo Pamphili, recibiendo formación como castrato soprano y violinista. Los maestros de Mannelli no se conocen por su nombre, pero probablemente fue influenciado por algunos de los principales músicos romanos de la época: Caproli, Giovanni Antonio Leoni (en el campo de la música de violín) y Lelio Colista; tres Maestri di cappella de San Luigi dei Francesi, Stefano Fabri, Antonio Maria Abbatini y Ercole Bernabei; y también Giacomo Carissimi, quien dirigió un oratorio en San Marcello en 1660.

El 25 de agosto 1650 y 1651 cantó como soprano con el nombre de Carluccio en las fiestas patronales de San Luigi dei Francesi. Después de una estancia en Venecia, donde en 1657 cantó el papel de Lerino en la ópera "Le fortune di Rodope e Damira" de Pietro Antonio Ziani en el Teatro Sant'Apollinare, aparece registrado a partir de 1660 como soprano asalariado en San Luigi dei Francesi, Roma. Participó como cantante al menos desde 1659 hasta 1664 en las procesiones de Jueves Santo y en los oratorios de Cuaresma de la Arciconfraternita del SS Crocifisso en San Marcello. También aparece como violinista en estas actuaciones bajo el nombre de Carluccio (a veces Carlino) di Pamfilio, junto con Carlo Caproli, que es confundido fácilmente con él. En 1668 se hizo cargo del puesto de Caproli como primer violín, y no fue sino hasta 1690 que Arcangelo Corelli, que tocaba junto a él en el primo coro de instrumentistas desde 1676, lo sucedió en este puesto. Mannelli tocó por primera vez con Caproli como violinista el 21 de junio 1665 en una masiva ceremonia en San Luigi dei Francesi. Se hizo cargo de la plaza de Caproli allí en 1676, pero en esta condición fue sucedido por Corelli ya en 1682 y desde entonces hasta poco antes de su muerte actuó en San Luigi sólo como soprano. Entre 1671 y 1673, Mannelli estuvo en el servicio del príncipe G. B. Borghese como músico; aunque no aparece después de esa fecha en los papeles de Borghese, continuó sirviendo a la familia como violinista, ya que en 1680 se le pagó por haber tocado en la Novena de Navidad.

Está registrado como primer violín concertino en San Giovanni dei Fiorentini el 3 de febrero de 1675 (Corelli estaba en el ripieno) y en Santa Maria del Pórtico en 1682. Mannelli pertenecía a una academia fundada por Giovanni Battista Giansetti. En su condición de violinista, fue desde el 15 de noviembre de 1663 miembro de la Congregación de Santa Cecilia y fue 'guardiano' de la sección de sus instrumentistas en 1684 y 1696. Como cantante no alcanzó la fama de otros castrati romanos, como Siface y los hermanos Fede, pero su importancia como violinista es incontestable. Junto con Carlo Ambrogio Lonati proporciona un vínculo hasta ahora pasado por alto en la tradición del violín entre Caproli y Corelli y fue sin duda uno de los 'più valorosi professori Musici di Roma' a quien Corelli menciona en una carta a Matteo Zani (1685) y cuyo ejemplo siguió.

Edición discográfica con obras de Carlo Mannelli

Mannelli -que antes de la llegada y la afirmación de Corelli era uno de los principales violinistas activos en Roma- en 1678 figura entre los músicos llamados por el cardenal Flavio Chigi durante una animación musical celebrada en el Palazzo Pamphili, y 1679 reaparece entre los violinistas utilizados para la ejecución de una cantata. Mannelli participó como violinista en ejecuciones de música de algunas academias romanas. En los años 1689-1690 y 1694-1695 Mannelli participó como violinista en la ejecución de cantatas y oratorios en la corte del cardenal Pietro Ottoboni. Elegido de nuevo en 1696 para el cargo de guardián de instrumentistas músicos de la Congregación de Santa Cecilia Mannelli se vio obligado a renunciar a ella por razones de salud. Mannelli murió en Roma, probablemente un par de días antes del 7 de enero de 1697, fecha en que se abrió su testamento, y fue enterrado, según su voluntad, en la Iglesia del Gesú en Roma.

Mannelli hizo publicar por lo menos tres colecciones de música para violín, dos de las cuales están vigentes. "Il Primo libro di sinfonie a violino solo", ahora perdido, fue publicado antes de 1682, ya que es mencionado por Mannelli en la advertencia al 'Lector violinista' que aparece en el prefacio de su Op. II. Las Sonatas trío de Mannelli, Opp.II y III, la mayoría de las cuales son en cinco movimientos, presentan considerables exigencias técnicas y son notables por la naturaleza especialmente cantabile de sus movimientos lentos y por sus allegros fugatos, que son designados canzonas. Estas características también dan forma a las sonatas trío de Purcell. La única pieza superviviente de Mannelli para violín solista y bajo continuo utiliza ampliamente la doble cuerda.

La colección de "Sonate a tre, dui violini e leuto o violone con il basso per l'organo, op. II" (Roma, 1682) incluye catorce sonatas, cada una con un título (La Foggia, La Fede, La Stamegna, La Vecchi, La Giansetti, La Verdoni, La Melani, La Giannelli, La Panuzzi, La Pasquini, La Ponselli, La Piccini, La De Santis, La Stradella), probablemente concebida como un homenaje a los compositores con los que Mannelli tenía lazos de amistad o de contacto por motivos profesionales. Todos los compositores mencionados en los títulos de las sonatas, con excepción de Stradella, eran parte de la Congregación de los músicos de Santa Cecilia y muchos de ellos eran activos junto con Mannelli en los mismos ambientes, como el oratorio de San Marcelo. La colección va acompañada, además de la dedicatoria al cardenal Benedetto Pamphili, de una advertencia dirigida al 'Lector violinista' con algún interés por la práctica de la ejecución; de hecho, eso explica los signos de notación de la técnica del violín utilizados en la obra, especialmente en relación con la ejecución de notas staccato y ligadas.

La colección de "Sonate a tre, doi violini, leuto o violone, con il basso per l'organo, Op. III" (Roma, 1692), dedicada al príncipe Domenico Rospigliosi, comprende doce sonatas con una idéntica orgánica a la que ya se utiliza en Op. II. Las sonatas, en este caso no tienen título, se caracterizan -como las del Op. II- por una escritura instrumental virtuosística y técnicamente audaz con la que Mannelli construye movimientos largos y articulados. La estructura formal de las sonatas de Op. III presenta una mayor regularidad que las del Op. II, ya que la mayoría de ellas se compone de cinco movimientos.

Las dos colecciones instrumentales impresas de Mannelli existentes son una pequeña parte de su considerable producción instrumental, por desgracia perdida en gran medida, como "Capricci a due violini e basso" y el "Terzo libro di sonate a tre d'altri stili", cuya publicación era anunciada por Mannelli en la advertencia al 'Lector violinista' del Op. II. En el inventario de la herencia del compositor se enumeran casi trescientas composiciones musicales: sinfonías, tres o cuatro sonatas en trío, caprichos de cámara para violín solo, partitas a dos o a tres, balletti de cámara, un preludio para dos trompetas y sonatas para violín solo.

Su perdida "Studio del violino", el primer tutor de violín italiano desde el de Gasparo Zanetti de 1645, fue, sin duda, producto de su enseñanza. Una serie de obras vocales adscritas en varias fuentes diferentes a 'Carlo del Violino' han sido atribuidas previamente a Mannelli, pero hay amplia evidencia para indicar que son, en realidad, de Carlo Caproli.

En su testamento nombró heredera universal de sus bienes a la Congregación de los músicos de Santa Cecilia, incluyendo propiedades, composiciones publicadas y el violín, y la comprometió a crear con el producto de su considerable legado una fundación para aquellos de sus miembros que estaban en necesidad. Esta fundación, y también una capellanía que había fundado en San Carlo ai Catinari no expiraron sino hasta fines del siglo XVIII. Legó el manuscrito y copias de su "Studio del violino" a Martino Bitti. La Academia de Santa Cecilia, Roma, posee un retrato al óleo de él, sin firma, a la edad de 52 años.