Karl Barthel wurde am 20. März 1907 in Lohmen bei Pirna als Sohn eines sozialdemokratischen Fabrikarbeiters geboren.
Nach dem Besuch der Volksschule in Copitz arbeitete er bis 1927 als Metallarbeiter in Dresden. 1922 trat er dem Deutschen Metallarbeiter-Verband bei, bald danach wurde er Mitglied des Kommunistischen Jugendverbandes und 1924 Mitglied der KPD. 1925 gehörte er zu den Mitbegründern der Jugendorgnisation des RFB, der Roten Jungfront, in Dresden-Neustadt und übernahm deren Leitung. 1927 besuchte Karl Barthel die Reichsparteischule der KPD auf der Burg Hohnstein in der Sächsischen Schweiz. Danach war er bis 1931 als Sekretär der Bezirksleitung des KJVD Thüringens tätig. Seit Herbst 1931 wirkte er als Politischer Sekretär der Bezirksleitung Hessen-Waldeck der KPD. Von 1929 bis 1931 war er Mitglied des Thüringer Landtages und 1932/1933 Mitglied des Reichstages.
Nach der Errichtung der Hitlerdiktatur war Karl Barthel führend bei der Organisierung des antifaschistischen Widerstandes in Niedersachsen und Oberschlesien tätig. Im Oktober 1933 wurde er in Breslau verhaftet und 1934 zu zweieinhalb Jahren Zuchthaus verurteilt. Nach Ablauf der Haftzeit verschleppten ihn die Faschisten in das KZ Lichtenburg und 1937 in das KZ Buchenwald, wo er bis zur Befreiung am 11. April 1945 dem illegalen Parteiaktiv angehörte.
Nach der Zerschlagung des Hitlerfaschismus leistete Karl Barthel bis April 1946 als Bürgermeister von Jena einen maßgeblichen Beitrag zum Aufbau einer antifaschistisch-demokratischen Stadtverwaltung. Von 1946 bis 1970 übte er leitende Funktionen in verschiedenen kommunalen Einrichtungen aus. So arbeitete er bis 1951 als Direktor der Stadtwerke Jena, bis 1965 als Betriebsleiter des VEB Wasserwirtschaft Jena und bis 1970 als Bereichsleiter Jena-Stadt und – Land des VEB Wasserversorgung und Abwasserbehandlung Gera. Unermüdlich arbeitete Karl Barthel an seiner politischen und fachlichen Qualifizierung. So absolvierte er 1951 bis 1955 ein Fernstudium an der Akademie für Staats- und Rechtswissenschaft in Babelsberg und legte 1964 die Prüfung als Ingenieur der Wasserwirtschaft ab. Von 1952 bis 1974 wirkte er als Vorsitzender des Bezirkskomitees Gera der Antifaschistischen Widerstandskämpfer.
Karl Barthel starb am 21. Februar 1974.
