Carl August Hugo Froelich wurde am 5. September 1875 in Berlin geboren und wuchs in Stralsund auf. Er studierte Elektrotechnik an den Technischen Hochschulen in Darmstadt und Berlin und war ab dem Jahr 1900 im Konstruktionsbüro der Firma Siemens & Halske (heute: Siemens AG) tätig. Mit dem Aufkommen des Films begann er sofort, sich für diese neue Technik zu interessieren. So arbeitete er ab 1903 in der Konstruktionsabteilung des Filmpioniers Oskar Messter, der damals der wichtigste Hersteller kinematographischer Apparate war. In Messters Firma wirkte Froelich an technischen Entwicklungen mit (u.a. am Biophon-Tonbild-System), realisierte als Kameramann aber auch eigene Filmaufnahmen, darunter Wissenschaftliches (z.B. über Wirkungen von Giften auf das menschliche Herz, gedreht im Pharmakologischen Institut der Universität Berlin), aber auch Aktuelles, wie die Bilder von der Berliner Hochbahnkatastrophe am 26.9.1908 – Froelichs Aufsehen erregende Aufnahmen dieses Unglücks gelten manchen Filmhistorikern als Wegbereiter der späteren Wochenschauen.

1906 stand Froelich bei Henny Portens Filmdebüt "Meißner Porzellan" (1906) an der Tonbild-Kamera; danach wirkte er bis 1914 an zahlreichen Spielfilmen mit, vor allem für die Regisseure Adolf Gärtner und Curt A. Stark, und meist mit Henny Porten als Hauptdarstellerin. 1913 übernahm Froelich die Co-Regie (neben William Wauer) bei der aufwändigen Filmbiografie "Richard Wagner". Trotzdem war er zu dieser Zeit noch hauptsächlich Kameramann; Regie führte er nur gelegentlich, etwa bei "Tirol in Waffen" (1913/14) und "Erstarrte Liebe" (1914).

Mit Beginn des Ersten Weltkriegs wurde Froelich eingezogen, erhielt aber schon bald einen Posten als Kameramann: Er war einer von nur acht zugelassenen Frontoperateuren und drehte Kriegsberichte für die "Messter-Woche". Als Kameramann für den Film hingegen war Froelich ab 1915 überhaupt nicht mehr aktiv. Stattdessen konnte er während des Krieges mehrere Spielfilme als Regisseur für die Messter-Filmpoduktion realisieren, so etwa die Henny-Porten-Filme "Nur nicht heiraten" (1915), "Der Schirm mit dem Schwan" (1916) und "Die Ehe der Luise Rohrbach" (1917) – der Beginn einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der berühmten Schauspielerin und dem Regisseur Froelich.

Von 1919 bis 1920 arbeitete Froelich für die Maxim-Film Ges. Ebner & Co., für die er Filme mit der Porten-ähnlichen Lotte Neumann ("Arme Thea"; "Der Klapperstorchverband") und mit Lil Dagover ("Der Tänzer") drehte; außerdem inszenierte er für die Maxim-Film den Historienfilm "Die Brüder Karamasoff". 1920/21 folgten zwei Dagover-Filme für die Decla-Bioskop sowie der Asta-Nielsen-Film "Irrende Seelen", nach Dostojewskis "Der Idiot". Darüber hinaus gründete Froelich im Jahr 1920 seine eigene Produktionsfirma, die Froelich-Film GmbH, Berlin.

Froelichs Filme waren meist beim Publikum und der Kritik gleichermaßen erfolgreich. So schrieb der renommierte Kritiker Béla Balázs, Froelichs filmische Umsetzung des Eifersucht-Gefühls in "Der Wetterwart" (1924) sei "eine Revolution". Nach dem internationalen Erfolg des Porten-Films "Mutter und Kind" (1924) gründeten Froelich, Porten und ihr Mann Wilhelm von Kaufmann im Jahr 1924 die Henny Porten-Froelich Produktion GmbH, Berlin. Mit ihr entstanden bis 1929 noch 14 gemeinsame, meist sehr erfolgreiche Filme. Die Bandbreite reicht dabei von Komödien wie "Das Abenteuer der Sibylle Brant" (1925) bis zu ernsten und tragischen Werken wie "Die große Pause" (1927) und "Zuflucht" (1928).

1929 trennten sich Froelichs und Portens Wege und er produzierte seine Werke wieder mit der Froelich-Film GmbH. Ebenfalls 1929 drehte er mit "Die Nacht gehört uns" einen der ersten drei deutschen Tonfilme; wegen der hohen Herstellungskosten entstand er als deutsch-französische Gemeinschaftsproduktion. Und nicht zuletzt der Erfolg dieses Films verhalf dem Tonfilm in Deutschland zum Durchbruch. Ein Besonderheit von Froelichs Arbeit mit Ton bestand stets darin, dass er ihn nicht allein zur Vermittlung von Informationen nutzte, sondern auch atmosphärisch und zur Charakterzeichnung einsetzte – als "Sprachlandschaft" bezeichnete Béla Balázs einmal Froelichs komplexe Tonspuren.

1931 entstand der 'Gemeinschaftsfilm' (im Team hergestellt und von einem Konsortium finanziert) "Mädchen in Uniform": Bei dem Drama über ein preußisches Mädchenpensionat und die Liebe zwischen Frauen (einer Schülerin und ihrer Lehrerin) übernahm Froelich lediglich die künstlerische Oberleitung; für die Inszenierung des ausschließlich mit Frauen besetzten Films zeichnete Leontine Sagan verantwortlich. Auch sonst produzierte Froelich mit seiner Firma Filme anderer Regisseure, so etwa Carl Behrs "Der Jäger aus Kurpfalz" (1933), Paul Henckels Kurz-Spielfilm "Der Kuckuck am Steuer" (1934) und Rolf Hansens Kurz-Spielfilm "Das Schönheitsfleckchen" (1936), der als erster deutscher Farbfilm in die Filmgeschichte einging.

Während der NS-Zeit konnte Froelich ohne Unterbrechung weiterarbeiten. Bereits 1933 war er Mitglied der NSDAP geworden und wurde noch im selben Jahr an die Spitze des Gesamtverbandes der Filmherstellung und Filmverwertung berufen. 1934 drehte er für die Propagandaleitung der NSDAP einen Film über den weiblichen Reichsarbeitsdienst: "Ich für Dich – Du für mich". Im Januar 1937 wurde er zum Professor ernannt, im Juni 1939 zum Reichsfilmkammerpräsidenten. Mit der Produktion gediegener Unterhaltungsfilme hatte sich Froelich dem Geist der Zeit und den Wünschen der Machthaber angepasst. Dabei arbeitete er stets mit großen Stars wie Emil Jannings ("Traumulus", 1935), Zarah Leander (u.a. "Heimat", 1938; "Es war eine rauschende Ballnacht", 1939), Ingrid Bergman ("Die vier Gesellen", 1938) und Heinz Rühmann ("Der Gasmann", 1941). 1943/44 drehte er auch wieder einen Film mit Henny Porten: den zwischen melancholischer Nostalgie und Zukunftsoptimismus changierenden Zweiteiler "Familie Buchholz"/"Neigungsehe".

Nach Kriegsende kam Froelich zunächst in Lagerhaft. Zehn seiner Filme wurden vom Alliierten Kontrollrat verboten, darunter "Ich für Dich – Du für mich", "Heimat" und "Der Gasmann". 1948 wurde Froelich entnazifiziert und durfte wieder arbeiten. An seine früheren Erfolge konnte er gleichwohl nicht mehr anknüpfen. 1950/51 realisierte er mit der Froelich-Film GmbH drei weitere, nur mäßig erfolgreich Filme: "Drei Mädchen spinnen" (1950), "Stips" (1951) sowie "Torreani" (1951), bei dem sein Sohn Gustav Regie führte. Auf Grund seiner früheren Verdienste wurde Carl Froelich zum Ehrenpräsidenten der SPIO ernannt; daneben war er Ehrenmitglied des Verbandes der Filmschaffenden sowie des Deutschen Bühnen-Clubs.

Am 12. Februar 1953 starb Carl Froelich in Berlin an einer Lungenentzündung.