Carlos Pena è nato ad Albert Lea il 15 agosto 1989. Cresciuto in Florida ha frequentato la Sagemont Upper School. Il primo ruolo importante l'ha ottenuto in ER-Medici in prima linea, al quale seguono le partecipazioni a Juding Amy, Summerland e Ned - Scuola di sopravvivenza in onda su Nickelodeon nelle puntate "Guida alle malattie e allo spelling" (2004) e "Guida ai messaggi e ai migliori amici" (2005) e ha fatto alcune rappresentazioni locali di Grease e Man of La Mancha.
Dopo essersi diplomato ha frequentato il conservatorio di Boston. Nel 2009 viene scelto per il ruolo di Carlos Garcìa nella serie Big Time Rush per poi andare a costituire insieme a James Maslow, Logan Henderson e Kendall Schmidt. Il 4 gennaio 2014 sposa Alexa Vega (Miami, 27 agosto 1998)