Comenzó su veloz carrera en 1947 antes de cumplir 18 años en los campeonatos italianos sobre una Mondial 125cc de 4 tiempos. Con esta prestigiosa marca italiana debuta en el I Campeonato Mundial de Motociclismo organizado por la FIM en 1949 en el Grand Prix de Suiza. Al terminar la temporada se ubica 4to, pero consigue la victoria en el difícil Trial Internacional de los Seis Días. Al año siguiente logra su primer éxito en un gran premio al derrotar a su compatriota y triple campeón Bruno Ruffo en Irlanda. La temporada de 1951 se presenta mucho más fuerte, pues compiten 17 pilotos por el título. Entre los tres estelares del equipo Mondial los duelos son de principio a fin, pero Ubbiali se impone en la última prueba y así alcanza su primer título mundial a los 22 años. El más joven campeón de su momento. Las mejoradas MV Agusta 125cc le arrebatan la corona en 1952 al ser vencido por el inglés y bicampeón Cecil Sandford. Ubbiali, acepta entonces el contrato ofrecido por el conde Agusta para 1953, pero la plantilla aumenta a 22 pilotos y a las marcas ya establecidas como MV, Mondial, Morini, se suma la alemana NSU con sus estelares y experimentados pilotos, Werner Hass, Rupert Hollans y el veterano Hermann Paul Muller, que al final se titula campeón seguido por el inglés Sandford y Ubbiali, ambos de MV. El predominio de NSU se extiende a 1954 con la victoria de Hollans. Ubbiali es 2do. Mientras otra NSU, la de Muller es tercera. Carlo decide probar suerte con MV en la categoría 250 en 1955, siendo este su peor año al quedar 8vo. El dúo alemán NSU Muller se corona, sin embargo, MV logra la tripleta en la 125 con Ubbiali de campeón, el suizo Luigi Taveri 2do y el italiano Remo Venturi tercero. En 1956 Carlo es doble campeón por primera vez cuando vence en dura porfía a su compañero Taveri y al campeón Enrico Lorenzetti, italiano de Moto Guzzi, en los 250cc y en 125 derrota al italiano Romulo Ferri de Gilera y nuevamente a Taveri. Los experimentos de MV en 250, en 1957, no le permiten subir del 5to en la tabla final que domina el trio Mondial liderado por Sandford. En 125 el campeón Tarquinio Provini, también con Mondial, se impone, quedando Carlo 3ro tras Taveri. Provini pasa al team MV. El campeonato es reñidísimo en la 250 entre 22 pilotos. Tarquinio gana la corona mientras el 2do. es para el alemán Horst Fugner con una MZ de 2 tiempos. Ubbiali es 3ro. Ese año en la categoría de 125cc debutan las nuevas Ducati con el italiano Alberto Grandosi y Taveri, pero no pueden impedir que Ubbiali se titule por 4ta vez. En 1959 Carlo hace su 2do doblete. En ambas categorías su compañero Provini es subcampeón. Los terceros fueron para el multicampeón Mike Hailwood con Ducati en 125 (Excelencias No 12) y Gary Hocking de Rhodesia, hoy Zimbabwe, sobre una MZ 250cc. El ultimo año del campeón Ubbiali fue 1960. Se retiro como todo un grande al obtener de nuevo la doble corona por 3ra vez. Para Carlo y su equipo esta retirada fue por todo lo alto, ya que en 250 el trío MV lo completaron Hocking y Taveri y en 125 repitió el subcampeonato Hocking. Tercero fue para la MZ de Ernst Degner. La última victoria de su carrera fue también su último Grand Prix al triunfar en el Gran Premio de las Naciones en Monza, su querida Italia. Este inolvidable campeón , que posee la condecoración Grand Prix Legend de la FIM, se mantuvo activo desde 1949 a 1960. Se alzó con la victoria en 39 ocasiones y fue tan técnico que en esos difíciles años nunca tuvo un accidente. Sin embargo, su pilotaje era tan agresivo que es dueño del récord de mejor promedio de podios obtenidos por total de carreras, nada menos que 68 podios en 71 grandes premios para un 95.7% Campeón Mundial 9 veces, 6 en 125 y 3 en 250. Muchos italianos consideran a este sencillo hombre de físico menudo y humilde cuna, como el primer Valentino Rossi.