Grundlagenforschung und angewandte Forschung sind die bestimmenden Merkmale von Carl Wagners wissenschaftlichen Arbeiten. Er wurde durch seine wesentlichen Beiträge zur Thermodynamik der Legierungssysteme zu einem der Wegbereiter moderner Metallchemie und Metallurgie.
Bereits Wagners Vater arbeitete als Assistent bei Wilhelm Ostwald. Wagner wuchs sozusagen im „Zentrum der physikalischen Chemie“ auf. Zwischen 1924 und 1927 war er Assistent an der Universität München, wechselte dann an das Bodensteinsche Institut in Berlin.
Dort wies ihn der Chemiker Wilhelm Jost auf die Diffusions- und Reaktionsvorgänge im Festkörper hin. Mit der Erkenntnis, dass Fehlordnung im Kristall eine Erscheinung des inneren Gleichgewichtes ist, gelang Carl Wagner bereits vor dem Zweiten Weltkrieg der entscheidende Schritt zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen in und an Festkörpern. 1934 erhielt er die Berufung als Professor an die Technische Hochschule Darmstadt. Dort forschte er vorwiegend über die technisch wichtigen Vorgänge des Anlaufens und der Oxydation von Metallen und Legierungen.