Carlos Sastre passe professionnel en 1997 dans l'équipe ONCE et il fait partie de la Team CSC depuis 2002. Régulièrement considéré comme un outsider, il a emmené, en tant qu'équipier, des coureurs comme Laurent Jalabert, Joseba Beloki et Ivan Basso dans sa carrière. Il est bon grimpeur et s'est toujours distingué dans les courses par étapes comme le Tour de France ou le Tour d'Espagne.

En mai 1999, Carlos Sastre participe au Tour d'Italie, son premier grand tour, aux côtés de Laurent Jalabert, quatrième au classement final et maillot rose pendant huit jours. Sastre termine à la 101 place, à trois heures du vainqueur Ivan Gotti

En septembre 2001, il s'engage avec l'équipe danoise CSC-Tiscali^[2]. Il y retrouve plusieurs anciens coéquipiers de la Once : Nicolas et Laurent Jalabert, Marcelino Garcia et Andrea Peron.

En 2006, il participe aux trois grands tours et se classe notamment troisième du Tour de France^[3] et quatrième de la Vuelta. Il est le 29^e coureur parvenu à terminer les trois grands tours la même année^[4].

Lors du Tour de France 2008, annoncé comme favori avec Cadel Evans, Denis Menchov, Alejandro Valverde, ses coéquipiers Andy et Fränk Schleck, Carlos Sastre fait un début de parcours discret en se hissant dans les 15 premiers du classement général. Durant les étapes des Pyrénées, il se montre prudent, accompagnant les leaders sans passer à l'attaque, tandis que plusieurs favoris comme Damiano Cunego et Alejandro Valverde craquent. Après les étapes pyrénéennes, Cadel Evans se saisit du maillot jaune qu'il garde pendant 5 jours puis cède à Fränk Schleck, coéquipier de Sastre, dès la première étape alpestre. Lors de l'étape menant à l'Alpe d'Huez, l'équipe CSC-Saxo Bank prend la course en main. Sastre attaque dès les premiers lacets de l'ascension finale. Aucun des favoris ne le suit. Sastre passe la ligne d'arrivée en solitaire et s'empare du maillot jaune avec 1'24" d'avance sur Fränk Schleck et 1'34" d'avance sur Cadel Evans.

Lors de l'avant-dernière étape, un contre-la-montre de 53 km, il se classe douzième, à 2'34" du vainqueur Stefan Schumacher et à 29 secondes de Cadel Evans, et conserve la tête du classement général. Le 27 juillet 2008, il remporte le Tour de France.