Modzelewski urodził się w Moskwie w 1937 r. jako Cyryl Budniewicz. Jego biologiczny ojciec był rosyjskim wojskowym, który w okresie wielkiej czystki trafił do łagru. Matka Natalia Wilter, tłumaczka i krytyczka literacka, pochodziła z rodziny zrusyfikowanych wileńskich Żydów. Tuż przed wojną związała się z Polakiem Zygmuntem Modzelewskim, także więźniem stalinowskim, późniejszym ministrem spraw zagranicznych (1947–1951).
W 1945 r. Cyryl/Karol przyjechał do Warszawy, gdzie w wieku ośmiu lat rozpoczął naukę języka polskiego. Jako użytkownik polszczyzny doszedł do wybitnych rezultatów. Wspominając wystąpienie Modzelewskiego podczas procesu w 1965 r., jego przyjaciel mówił:
„On tak pisze, jak mówi, czy też tak mówi, jak pisze – gotowymi zdaniami, z akapitami, bez powtórzeń, można to natychmiast nagrać i będzie gotowy tekst”.
Buntownik
Jako student historii Uniwersytetu Warszawskiego i działacz ZMP Modzelewski wziął udział w wydarzeniach 1956 r., uczestnicząc m.in. w wiecach robotników FSO na Żeraniu. Na fali Października, w wieku dwudziestu lat, wstąpił do PZPR.
W połowie lat sześćdziesiątych wraz z Jackiem Kuroniem opracował manifest polityczny pt. „List otwarty do partii”. W obszernym tekście autorzy z pozycji marksistowskich atakowali system PRL, głosząc m.in., że klasę kapitalistycznych wyzyskiwaczy zastąpiła w nim partyjna biurokracja. Prócz tego w „Liście” znalazły się ważne postulaty wolnościowe – zniesienia cenzury, wprowadzenia realnej wielopartyjności, likwidacji policji politycznej. Próba kolportowania tekstu zakończyła się aresztowaniem. Modzelewski został skazany na trzy i pół, a Kuroń na trzy lata więzienia. Już wcześniej obaj zostali usunięci z partii.
Pod koniec epoki Gomułki młody mediewista należał do liderów grupy komandosów. Kilka miesięcy po opuszczeniu zakładu karnego, w styczniu 1968 r., Modzelewski znalazł się wśród inicjatorów protestu przeciw zdjęciu z afisza Teatru Narodowego „Dziadów” w reżyserii Kazimierza Dejmka. Był autorem skandowanego przez uczestników manifestacji hasła „Niepodległość bez cenzury!”.
Za udział w wydarzeniach Marca ponownie dostał wyrok trzech i pół roku.
Choć w kolejnej dekadzie nie uczestniczył w budowaniu opozycji demokratycznej, po wydarzeniach Czerwca 1976 r. Modzelewski wystosował list do Edwarda Gierka. Do czynnej działalności antykomunistycznej wrócił w 1980 roku. Został jednym z liderów Solidarności (nazwę tę z resztą sam zaproponował), obejmując funkcję jej rzecznika prasowego. W stanie wojennym internowany, w latach 1982–1984 przebywał w areszcie pod zarzutem próby obalenia ustroju PRL. Do 1989 r. łącznie w celi spędził osiem i pół roku.
Wrocławianin i Polak
Gdy we wrześniu 1971 r. Modzelewski opuścił więzienie, zdecydował, że poświęci się nauce. Zamieszkał na Dolnym Śląsku (początkowo w Sobótce), gdzie – pilnie obserwowany przez SB – rozpoczął najspokojniejszy od lat okres życia.
Do śmierci na pytanie o to, skąd jest, odpowiadał: „Z Wrocławia”. W latach 1976-1981 i 1986-1994 był mieszkańcem stolicy Dolnego Śląska (zajmując – cóż za ironia! – lokal w dawnym średniowiecznym więzieniu). W niej pracował, współzakładał Solidarność, przez kilka lat należał do kadry historyków Uniwersytetu Wrocławskiego. W wyborach czerwcowych dzięki głosom Dolnoślązaków został senatorem. Pisał:
„Moją uczelnią był i jest [...] Uniwersytet Warszawski, ale moim miastem jest Wrocław [...]. To kwestia uczuć, czyli patriotyzmu lokalnego”.
Nie tylko wrocławska, ale i polska tożsamość bohatera stanowiła w pewnym sensie sprawę jego wyboru. W książce Zajeździmy kobyłę historii wspominał, że w wieku dziesięciu lat spotkał się w Moskwie z biologicznym ojcem. Matka zapytała wówczas Karola, czy chce zostać w ZSRS, czy woli wrócić do Polski. Zdecydował się na powrót. Biorąc rzecz mniej dosłownie – Modzelewski wielokrotnie w życiu mógł wybrać działalność intelektualną, do reszty zamieszkać w świecie nauki. Choć jako badacza par excellence wiele go to kosztowało, na wezwanie historii współczesnej tę średniowieczną jednak niemal zawsze porzucał.