Nascido em 12 de janeiro de 1944, Carlos teve uma infância pobre. No vilarejo onde vivia, a sua família era a mais pobre de todas; Villagrán, em sua infância, dormia em um colchão com todos seus irmãos.

Ele é conhecido como Pirolo, pois antes de atuar em Chaves, tinha um personagem com esse nome. Ainda antes de viver o Pirolo, Villagrán foi fotógrafo profissional de vários jornais conceituados do México. Seu sonho era ser comediante ou jogador de futebol. À convite de Rubén Aguirre, Carlos Villagrán deixou a fotografia aos 23 anos e começou a viver Quico, personagem que já interpretava no teatro.

No ano de 1978, Carlos Villagrán deixou o elenco de Chaves. Devido à imposição de Roberto Bolaños, Carlos foi impedido de atuar com seu personagem no México, forçando sua ida para a Venezuela. Lá, fez o programa Federrico, que não fez muito sucesso. No México, fez Ah que Kiko e, no Chile, O circo de monsieur Cachetón e Kiko botones.

Carlos Villagrán disse que ele deixou o elenco de Chaves e Chapolin porque seu personagem Quico estava ganhando muita popularidade e ele estava sendo convidado para gravar discos e comerciais. Por isso quiseram diminuir a participação dele nos seriados e ele não aceitou. Entretanto, numa entrevista, Chespirito disse que Carlos Villagrán lhe falou que queria tentar carreira solo e Bolaños disse que tudo bem, mas se ele quisesse voltar ao Chaves, todos o receberiam de braços abertos. Carlos Villagrán já teve um caso com Florinda Meza antes de esta se casar com Chespirito. Ficou 20 anos sem se falar e ver Roberto Bolaños, até que reencontrou-se com ele num especial da Televisa em homenagem ao comediante realizado no dia 1° de Abril de 2000, onde aparentemente fizeram as pazes. Pelo contrário da história com Maria Antonieta de las Nieves (intérprete da Chiquinha), Quico aparece no desenho; a briga com Bolaños, que durou vinte e dois anos, faz parte do passado e ambos retomaram a amizade de outrora.

Atualmente, mora em Guadalajara, México, e faz shows em circos que inclusive já veio ao Brasil. Ele vive com sua esposa e com seus seis filhos.