Fill de Joan de Borbó i de Battenberg i de Maria de la Mercè de les Dues Sicílies, quan el seu pare esdevingué cap de la casa reial espanyola (1940), ell es convertí en príncep de Girona, d’Astúries i de Viana, en duc de Montblanc i en comte de Cervera; el 1993, a la mort del seu pare, heretà el títol de comte de Barcelona. Després de viure a Itàlia i Suïssa, el 1948 arribà a Espanya, on feu estudis humanístics i militars. El 1962 es casà amb la princesa Sofia de Grècia, filla del rei Pau I, i el 1969 el general Franco li donà el títol de príncep d’Espanya i el designà successor seu en qualitat de rei.
Assumí interinament les funcions de cap d’estat el juliol-setembre del 1974 i l’octubre-novembre del 1975, per malaltia del dictador; a la mort d’aquest, fou proclamat rei el 22 de novembre de 1975. D’ençà del 1976 (substitució de Carlos Arias Navarro per Adolfo Suárez en la presidència del govern), afavorí la democratització del règim i sancionà la Constitució del 1978, que regulava les seves funcions i l’instituïa cap suprem de les forces armades. La seva popularitat augmentà amb l’actuació que tingué durant el Vint-i-tres de febrer (1981) i contribuí a millorar la imatge exterior de l’Estat espanyol. Del seu matrimoni amb la reina Sofia nasqueren les infantes Helena (1963) i Cristina (1965) i el príncep d’Astúries, Felip VI d'Espanya (1968), al qual passà els títols associats.
Considerat una peça clau de la Transició, gaudí d’una gran popularitat durant la major part del seu regnat, i fins i tot fou acceptat per partits i organitzacions tradicionalment republicans. Durant els darrers anys del seu regnat el seu estat de salut empitjorà ostensiblement, i algunes de les seves actuacions i pronunciaments públics foren qüestionats, com també determinats aspectes de la institució monàrquica espanyola. El 2 de juny de 2014 el president del govern espanyol anuncià l’abdicació imminent de Joan Carles I en el seu fill Felip, príncep d'Astúries, la qual es feu efectiva el 18 de juny de 2014, després d’aprovar-se la llei orgànica que regulava l’abdicació. Nomenat rei emèrit, el 2 de juny del 2019 es retirà de l'activitat pública.