Allerede som helt ung rejste han på langfart med flådens skibe bl.a. til Vestindien og Grønland. Dette styrkede hans fascination af havet, og allerede i en alder af 19 år kunne få et billede, Sejlere i Sundet, antaget og solgt på Charlottenborgudstillingen.

På Drachmanns foranledning tog han i 1872 til Skagen, hvor han fandt motiver og maleriske udfordringer, der stemte overens med hans temperament.

Han var et af den voksende kunstnerkolonis, Skagensmalrne,  tidligste medlemmer, og kammeratskabet og den gensidige udveksling af ideer og erfaringer med især Karl Locher den tro på egne kunstneriske virkemidler, som bragte ham videre.

I 1872-74 var han elev af Kunstakadmiet, mere betydning for hans udvikling fik det dog, at han i 1875-76 og 1878-opholdt sig i Paris og en tid studerede i Léon Bonnats atelier.  
.
Locher kom første gang til Skagen i 1872 på anbefaling af Holger Drachmann, som underviste ham i marinemaleri. Efter et par år på Kunstakademiet rejste han første gang til Paris i 1875.
Inspireret af den franske impressionisme fornyede han marinemaleriet i Danmark, og han blev en sand mester i at indfange havets stemninger i alt slags vejr.

Locher var en fremragende tegner og havde sin styrke i radérkunsten, som han begyndte på i 1880’erne. Fra 1893 til 1896 studerede han radérkunst i Berlin på statsstipendium. Herefter fik han statsstøtte til at oprette en radérskole i København, som bl.a. søgtes af Krøyer og Anna og Michael Ancher. Lochers raderinger blev meget rost i samtiden – en stor del af dem findes i Skagens Museums samling i dag.

Locher var et af den voksende kunstnerkolonis første medlemmer. Som årene gik blev Skagen hans andet hjem, og i 1910 byggede han et hus med stort atelier lige ned til stranden, hvorfra han kunne sidde og male sit yndlingsmotiv: Havet.

Villaen opførtes i 1910 på Øster Strandvej 55 i Skagen som atelier og bolig for maleren Carl Locher, muligvis efter tejninger af dennes ven, arkitekten Ulrik Plesner.
På matriklen lå indtil da et gammelt træskur, der ejedes af gæstgiver Degn Brøndum. Skuret, der blev kaldt for "Tutten" anvendte Locher igennem flere år som atelie.r
Efter at have ligget som delvis ruin blev huset købt af en privatmand, som med nænsom hånd har fået huset tilbage den tid, hvor Carl Lorcher bodede her.

På Forårsudstillingen i 1878 vakte hans store Redningsbåden går ud opmærksomhed ved liv og friskhed, men også en del forargelse ved den mindre vederhæftige flothed, hvormed det var malet, langt modnere viste hans talent sig i 1882 i Vinterdag ved Hornbæk Strand, der blev erhvervet til Den Kongelige Malerisamling. Her står kunstneren som den udviklede mand, der grundig gør regnskab for formerne i sø, luft og land og behersker farverne med sikkerhed, uden at friskheden er gået tabt.
 

I 1885 rejste Locher over Belgien, Holland og Paris til England og gjorde derefter studier på Skagen, i 1887 var han i Spanien og Frankrig med Det anckerske Legat og Akademiets stipendium. I en del år boede han i Hornbæk og malede der blandt andet det store billede af Frederik VII’s Ligfærd, der i 1889 blev købt til Den Kongelige Malerisamling; samme år påbegyndtes et andet hovedværk Slaget på Kolberger Hide (Det Nationalhistoriske Museum på Frederiksborg Slot.)

Adskillige af hans arbejder gik til udlandet, således købte i 1891 den russiske kejser et stort maleri, der forestiller Kejserens ankomst på Reden, et andet, Ud for Hornbæk, hang i den tyske kejsers arbejdsværelse i Potsdam. I disse som i mange andre værker viser Locher sig som en kunstner med udpræget sans for den maleriske helhed og for bevægelsen i luft og sø, få marinemaleres arbejder har et mere afgjort "saltvandspræg" end hans. 

Som raderer hørte Locher til de dygtigste og mest produktive af de danske kunstnere; fra 1885 udførte han en mængde mindre og større blade, der gennemgående udmærker sig ved liv og malerisk kraft.
I 1892 tog han den beslutning fremtidig at vie sine kræfter væsentlig til raderkunsten, drog med understøttelse af staten til Berlin og blev elev af den udmærkede kobbrstikker professor Hans Meyer. Der udførte han en smuk gengivelse af maleriet Frederik VII's ligfærd, det udmærkede blad Fiskere på Skagen, den største og virkningsfuldeste af alle danske originalraderinger, samt en fortrinlig reproduktion af Jørgen Sonnes maleri Sommernat; Præsten bliver hentet til en syg på den anden side af åen.
Carl Locher led af en hjertesygdom, som efterhånden gjorde det svært for ham at gå. Han tilbragte sine sidste år i Skagen, og blev begravet ved siden af Krøyer på Skagen Kirkegård.