Desde el 25 de enero de 1622 hasta principios de 1625 estuvo casado con Laura María de Vargas Texeda Lozano. Después de la muerte de su esposa a causa de un parto parece haber estudiado para el sacerdocio, un requisito para sus posiciones posteriores.

Entretanto, el 19 de enero de 1623 se hizo maestro de canto de órgano en la Catedral de Sevilla. En 1628 compitió sin éxito para el puesto de maestro de capilla en la Catedral de Salamanca, pero el 8 de marzo de ese año fue nombrado maestro de capilla del Monasterio del la Encarnación, Madrid, donde sucedió a Gabriel Díaz Bessón. Ese año se le confió la preparación final para la publicación del  "Libro de misas, motetes, salmos, Magnificas, y otras cosas tocantes al culto divino" de López de Velasco (Madrid, 1628). El 1 de enero de 1634 Patiño sucedió a Mateo Romero como maestro de capilla en la capilla real; simultáneamente sirvió como vice-maestro y rector del colegio coral de niños hasta el 7 de febrero de 1657. En 1660 pidió su jubilación, alegando mala salud; su demanda fue negada, pero se le proporcionó un ayudante y suplente. Además de sus actividades musicales, era pintor.

Patiño fue uno de los mejores músicos de España en el siglo XVII y junto con Romero estableció allí el estilo Barroco. Es especialmente importante por haber reemplazado el estilo de madrigal italiano por uno específicamente español. Algunas de sus obras sacras son para un solo coro pero la mayoría son para dos o tres coros. Casi todos incluyen continuo, a menudo designó para órgano, arpa, clavicordio, o bajoncillo (pequeña dulzaina); las partes vocales son dobladas de vez en cuando por instrumentos.

Aunque Patiño era principalmente compositor de música sacra en latin, también compuso música sacra en español así como música para teatro (cuatros de empezar) para ser cantada como preludios de las producciones dramáticas. Las composiciones de Patiño disfrutaron de amplia circulación en las colonias españolas de América Latina, como lo demuestran los muchos bastante usados e incompletos manuscritos encontrados allí. Muchas obras sacras se perdieron en el gran terremoto de Lisboa de 1755.

En opinión de L. Siemens, una de las personalidades musicales más autorizadas en los reinos de España durante el reinado de Felipe IV, que recurre también a una policoralidad de corte homofónico. Hay en el interior del monasterio de San Ignacio Mártir de Loeches un retrato hecho por Velásquez de la Infanta Teresa, hija de Felipe IV e Isabel de Borbón, que inspiró a Carlos Patiño para componer su obra musical "La labradora de Loeches" ("Libro de Tonos Humanos").