Carlo Grillenzoni nacque a Ferrara il 22 gennaio del 1814 da Giuseppe, celebre artista romagnolo, e da Giulia Pensa. Perso il padre a soli otto anni, Carlo studiò presso il collegio di Ravenna. Si iscrisse all?Università di Bologna dedicandosi in un primo momento allo studio del diritto, quindi alla scienza medica. Nel luglio del 1836 si laureò in chirurgia e in ottobre sposò la nobile Luisa Recalchi, da cui ebbe cinque figli. Nel 1838 il Grillenzoni conseguì, sempre all?Università di Bologna, la laurea in medicina. Venne nominato, nel ?40, direttore del reparto di anatomia dell?Università di Ferrara e divenne membro della locale Accademia medico chirurgica. In questo periodo il Grillenzoni approfondì la scienza ginecologica ed ostetrica, trascorrendo un breve periodo a Firenze dove ebbe contatti con illustri medici. Nel 1846, tornato a Ferrara, inviò una richiesta al governo pontificio per aprire un asilo infantile, ma la sua domanda venne respinta. Nel gennaio del ?47 con la moglie, e grazie all?intervento del cardinale A.M. Cadolini, istituì la Fondazione degli asili di infanzia, lo ?Scaldatoio?, che ebbe come prima sede l?abitazione degli stessi coniugi Grillenzoni. Sempre nel 1847 il Grillenzoni venne nominato titolare della cattedra di fisiologia all?Università di Ferrara. Sulla spinta delle notizie provenienti da Milano, egli fece parte, nel marzo del 1848, della commissione di Ferrara nata per costringere alla resa la guarnigione austriaca di stanza nella città (con esito negativo). Nel dicembre 1848 fu fra i firmatari dell?Indirizzo redatto dal Saffi sulla necessità di convocare un?Assemblea Costituente nello Stato Pontificio; ma il Grillenzoni, non volendo abbandonare la sua attività medico assistenziale, esitò a lungo prima di accettare la candidatura e la successiva elezione alla Costituente. Il Grillenzoni, per esser mancato alla seduta del 9 febbraio in cui venne proclamata la Repubblica Romana, fu annoverato fra i moderati antirepubblicani; ma egli non era contrario alla Repubblica in quanto tale, ma alla forma che stava assumendo (fu grande sostenitore del Mazzini col quale tentò di arginare le correnti più estreme). Partecipò attivamente alla stesura della Carta Romana del 1849; si batté per far riconoscere alla religione cattolica lo status di religione professata dalla maggioranza dei cittadini della Repubblica. Soprattutto intervenne sulla questione relativa alla libertà dell?insegnamento; insieme al deputato Ballanti propose questo emendamento: ?l?insegnamento è libero sotto le condizioni di moralità e di capacità determinate dalle leggi, e sotto la sorveglianza dello Stato. L?istruzione elementare necessaria ad ogni cittadino è gratuita ed obbligatoria? . (il testo definitivo della Costituzione Romana risulterà essere: ?L?insegnamento è libero. Le condizioni di moralità e di capacità, per chi intende professarlo, sono determinate dalla legge? . Con tale articolo 8, un?innovazione rispetto agli altri Statuti italiani dell?epoca che non prevedevano questa libertà, si voleva garantire all?insegnamento un?assoluta autonomia e si voleva tutelare la società prescrivendo per l?insegnante alcune condizioni di capacità e di moralità volte ad evitare che uomini non repubblicani potessero impadronirsi dell?istruzione, fonte dell?educazione morale di un popolo). Dopo la caduta della Repubblica Romana del ?49, il Grillenzoni, rifiutando di venire a patti con il restaurato governo pontificio, fu arrestato per un breve periodo e destituito dai pubblici uffici; quindi, grazie all?interessamento del ministro piemontese E. Pes di Villamarina, si rifugiò a Firenze con tutta la famiglia, ove esercitò l?attività medica. Nell?ottobre 1858, su istanza dei cittadini di Ferrara, ottenne il permesso di tornare nella città natale. Nel 1859 partecipò con ruolo di primo piano alla guerra contro l?Austria; nell?agosto del ?59 fu eletto deputato all?Assemblea delle Romagne, voluta da L. C. Farini, e il 6 settembre votò per la decadenza del potere temporale dei papi e per l?annessione al Regno di Sardegna. Nell?ottobre fu eletto membro del Consiglio comunale di Ferrara ed fu nominato professore di clinica chirurgica, chirurgia operatoria ed ostetrica presso l?Università di Ferrara. Nel marzo 1860 venne eletto deputato al Parlamento subalpino per il terzo collegio di Ferrara e mantenne il seggio anche nella legislatura successiva, la prima dopo l?unione d?Italia. Sostenne la politica annessionista di Cavour, ma non partecipò mai assiduamente ai lavori parlamentari, preferendo dedicarsi alla sua attività professionale, in particolare agli asili infantili di carità. Fra il 1861 e il 1863 fu nominato chirurgo primario all?ospedale di S.Anna di Ferrara, ottenne la direzione degli Asili infantili di Carità e la nomina di preside della facoltà di medicina e chirurgia all?Università di Ferrara (nel 1860 si battè per evitarne la chiusura).
Nel 1873 fu eletto consigliere provinciale e due anni dopo rientrò nel Consiglio comunale, mantenendo le due cariche fino al 1889. Nel 1874 fu nominato rettore dell?Università di Ferrara. Durante il suo magistero, che si concluse con le sue dimissioni nel 1883, fondò e diresse la scuola di ostetricia. Negli ultimi anni della sua vita il Grillenzoni rinunciò a tutte le sue cariche, mantenendo solo la cattedra di ostetricia. Nel maggio del 1897 venne celebrato a Ferrara il cinquantesimo anniversario della fondazione degli Asili infantili di carità e in tale occasione gli fu donata una medaglia d?oro commemorativa.
Morì il 2 luglio 1897. La sua figura fu ricordata anche dal Presidente della Camera dei deputati G. Zanardelli in una lettera indirizzata alla città di Ferrara.