Carl Fredrik Engelstad hørte til en type åndsmennesker som har stor bredde i sine kunnskaper og interessefelt. Han var “europeer” i sin orientering innen kunst og kultur. Selv om det var i litteratur og teater han hadde sitt viktigste virkefelt, var han f.eks. levende opptatt av malerkunst. Han fungerte som analytiker og formidler av andres verker, men var selv også skapende som forfatter. Han var en aktiv foredragsholder og en engasjert deltaker i diskusjoner, og ofte kom hans religiøse engasjement til syne i det han foretok seg.
Da Engelstad var ett år gammel, døde faren, og moren flyttet med de tre sønnene til Hønefoss, hvor Carl Fredrik vokste opp. Han tok examen artium ved Oslo Katedralskole 1935, og samme år begynte han å studere filologi ved Universitetet i Oslo. Engelstad skrev (1941) magistergraden Stadier i naturalismen - Ibsen, Zola, Strindberg.
Etter fullførte studier arbeidet han 1941–44 som forlagskonsulent og journalist. 1945–60 var han teater- og litteraturanmelder i Morgenbladet, fra 1958 dessuten kulturredaktør. 1946–49 fungerte han som redaktør av tidsskriftet Spektrum. 1960 ble han sjef for Nationaltheatret, men sluttet allerede etter et år. 1963–65 bodde han i Afrika, hvor hans hustru arbeidet som lege. 1965–82 var han knyttet til Aftenposten som kulturjournalist.
Engelstads mangfoldige forfatterskap kan inndeles i noen hovedkategorier: skuespill og dramatiseringer, romaner og litteraturvitenskapelige verker. Mange av artiklene fra hans journalistiske virksomhet er utgitt i samlinger. Han har redigert antologier og skrevet tekster til billedverker. Fremheves må også hans mange oversettelser, især av fransk og tysk skjønnlitteratur.
Som ung teaterkritiker etablerte han tidlig et engasjert forhold til teateret. Hans debut som dramatisk forfatter var skuespillet Pen eldre herre, som ble oppført på Trøndelag Teater 1949. Samme år oppførte Studioteatret i Oslo Ung mann på vingene, som han skrev i samarbeid med Barthold Halle. 1971 kom Adam, hvor er du?. For Det Norske Teatret laget han en dramatisering av Johan Falkbergets roman Den fjerde nattevakt, som hadde premiere 1956. For Rogaland Teater dramatiserte han Alexander Kiellands Garman & Worse (1971) og for Riksteatret Knut Hamsuns Børn av tiden (med skuespilltittelen Segelfoss, 1984).
Da Carl Fredrik Engelstad ble sjef for Nationaltheatret 1960, gikk han til oppgaven med en bevisst linje i repertoaret. Karakteristisk er at han innledet sin sjefsperiode med en oppførelse av Molières Don Juan som mysteriespill. Hans store publikumssuksess kom med Kjære løgnhals, Jerome Kiltys dramatisering av brevvekslingen mellom G. B. Shaw og Mrs. Patrick Campbell. Men repertoaret for øvrig ble ikke noen økonomisk suksess, noe som trolig var årsaken til hans brå avgang som teatersjef etter bare ett år.
I 1980- og 1990-årene opplevde vårt land en oppblomstring av store historiske friluftsspill. Carl Fredrik Engelstad innledet denne perioden med spillet i ruinene i Maridalen allerede 1974. Han skrev en hel trilogi for Maridalsspillene – Kirkebyggeren, Svartedauen og Kirkesølvet, utgitt 1981 under tittelen Tre Maridalsspill. 1990 skrev han et pilegrimsspill som ble fremført i Nidarosdomen.
Engelstad engasjerte seg tidlig i arbeidet for Teatermuseet i Oslo gjennom sin aktive deltakelse i Teaterhistorisk Selskap, og fra 1983 til kort før sin død var han styreformann i Teatermuseet.
1999 utgav Aschehoug i sin Gigantbok-serie et samlebind med tre romaner av Carl Fredrik Engelstad – hans debutroman Gjester i mørket (1957), Størst blant dem (1977) og De levendes land (1986). Alle tre avspeiler forfatterens engasjement i etiske problemer som menneskene konfronteres med i sine liv. De to første er nåtidsromaner, men i Størst blant dem danner hovedpersonens interesse for den nederlandske 1400-talls maleren Hieronymus Bosch en viktig tråd i handlingen. I De levendes land er handlingen henlagt til 1400-tallets Frankrike, der minnet om Jeanne d'Arc stadig er levende og kontrasteres mot hovedpersonen i boken, som drives mot det onde i en pervertert lengsel etter livsfylde og skjønnhet. Engelstads interesse for middelalderen og for etisk-religiøse problemstillinger manifesterte seg tidlig; boken Frans fra Assisi. Trubadur og helgen kom allerede 1942.
I årenes løp skrev Engelstad flere forfattermonografier: Ronald Fangen. En mann og hans samtid (1946), Ludvig Holberg. Gjøgleren, granskeren, gåten (1984) og Norske Selskabs Blomst og Krone. Johan Herman Wessel 1742–1785 (1992). Hans brede orientering i europeisk åndsliv manifesterer seg f.eks. i antologien Drømmen om mennesket (1982), en samling med 16 litterære essays fra perioden 1955–80.
Carl Fredrik Engelstad mottok en rekke priser og utmerkelser, bl.a. Oslo bys kulturpris 1982, Norsk kulturråds oversetterpris 1974, Bastianprisen 1976 og Norsk litteraturkritikerlags pris 1977 og 1986 (for de to siste romanene).