Již od dětství se Karel Zima věnoval zpěvu, byl členem dětského souboru Ještědská nota, chodil na hodiny klavíru, trombónu a navštěvoval liturgicky dramatický kroužek. V rodném Liberci už jako školák přispíval do tamní Stanice mladých reportérů při Českém rozhlasu. Již při studiu herectví na Státní konzervatoři v Praze hostoval v Divadle v Řeznické ulici, v Otevřené Divadelní Společnosti a v divadelní skupině Just, poté v divadle v Kladně a Mladé Boleslavi.
V letech 1995 až 1999 byl Karel Zima ve stálém angažmá v Divadle Drak v Hradci Králové. Poté se s rodinou přestěhoval do Prahy, vrátil se na volnou nohu a spolupracoval s řadou pražských divadel, mj. s Divadlem Bratří Formanů, Divadlem Na Prádle, Komorní scénou divadla Pod Palmovkou, Divadlem v Dlouhé. V Divadle z parku začal i s psaním scénářů.
Ve filmu Karel Zima debutoval hned hlavní rolí, a to v kriminálce natočené podle skutečné události Silnější než já (1990), v níž ztvárnil několikanásobného spartakiádního vraha Jiřího Straku. Za svou dlouholetou kariéru se uplatnil v menších a větších rolích různého charakteru, v televizi a ve filmu jich má na svém kontě na dvě stovky. Jednu z výraznějších zpodobnil např. v komedii Jakuba Sluky Non Plus Ultras (2004) společně s kolegy Davidem Novotným, Vladimírem Dlouhým a Matějem Hádkem či v romantickém dramatu Petra Nikolajeva Kousek nebe (2004), v příběhu lásky a přátelství za zdmi komunistické věznice 50. let 20. století.
ROZHOVOR S KARLEM ZIMOU NAJDETE ZDE
S Petrem Vaňkem, Lukášem Langmajerem a Martinem Myšičkou Karem Zima moderoval pořad U6 - Úžasný svět techniky, v němž si soutěžící vyzkoušeli fyzikální zákony na vlastní kůži. Objevil se v dramatické sérii z produkce HBO Pustina (2016) režisérů Ivana Zachariáše a Alice Nellis. Jednu z významných rolí ztvárnil v krimi seriálu Jitky Bártů Temný kraj (2017) s Lukášem Vaculíkem, psem a Kristýnou Novákovou Fuitovou v hlavních rolích.
Herec Karel Zima spolupracoval na mnoha zahraničních projektech (filmy a reklamy), hrál v řadě studentských snímků, je také autorem několika scénářů televizních pořadů a skečů, spolupracoval s Českým rozhlasem a uplatnil se i v dabingu.
Zálibou Karla Zimy jsou kaskadérské kousky. Vyzkoušel si např. skok z jedoucího vlaku či bungee jumping. Mezi jeho zájmy patří hry všeho druhu, badminton, stolní tenis, bowling, rybaření a vaření.
S bývalou manželkou, slovenskou herečkou Magdalenou Zimovou, rozenou Matejkovou, má Karel Zima dceru Agátu a syna Jonáše.
V červenci 2022 si Karel Zima vzal svou přítelkyni Lucii Kumbárovou. Rok nato se jim narodil syn Eliáš.