Итало-аргентинский тенор, приглашённый солист Мариинского театра.
Родился в Буэнос-Айресе, в итальянской семье. Учился в Высшем институте искусств театра «Колон». Обучался вокальному мастерству у таких педагогов по бельканто, как Нино Фальцетти и Рикардо Йост. Участвовал в мастер-классах Владимира Атлантова, Елены Образцовой, Грайра Ханеданьяна, Ирины Богачёвой, Владимира Чернова, Виргилиюса Норейки, Паоло де Наполи.
В 2006–2008 годах был приглашённым солистом в крупных оперных компаниях Аргентины, включая театр «Колон». В 2007 году, выиграв Конкурс вокалистов этого театра, гастролировал в Нью-Йорке, где критики охарактеризовали его голос как «тенор цвета чёрного бархата».
В 2009 году был приглашён в Мариинский театр, где дебютировал в роли Принца в «Русалке» Дворжака. В 2010 году исполнил партию Родригеса в записи оперы Массне «Дон Кихот» под управлением Валерия Гергиева и в содружестве с Ферруччо Фурланетто (лейбл «Мариинский»). В 2015 году принимал участие в российской премьере оперы Кристиана Колоновица «Судья», выступив на сцене «Маринский-2» вместе с Хосе Каррерасом.
Приглашённый солист Фестиваля русской музыки в Японии (2017, 2019). Участник фестивалей «Звёзды белых ночей», «Три века классического романса», «Дворцы Санкт-Петербурга», «Международная неделя консерваторий» (Санкт-Петербург), «В гостях у Ларисы Гергиевой» (Владикавказ), «Венский бал» (Москва), Московского Пасхального фестиваля.
Сотрудничал с Терем-квартетом (программы латиноамериканской и итальянской музыки), группой «Латинос», оркестром танго «Примавера» и другими коллективами. В 2018–2019 годах исполнил роль Манрико в опере Верди «Трубадур» в Уинслоу-холле (Великобритания) и Государственном театре оперы и балета Республики Саха (Якутия).
Выступал под управлением таких дирижёров, как Валерий Гергиев, Заурбек Гугкаев, Фабио Мастранджело, Гавриэль Гейне, Кристиан Кнапп, Оливер Гилмур, Карлос Виеу, Данте Раньери, Бруно Д’Астолли, Антонио Руссо.
Карлос Д’Онофрио ведёт активную исполнительскую деятельность, гастролирует по городам России с сольными концертами. Участвовал в концертных программах в Италии, Греции, Великобритании, Финляндии, Сербии, Казахстане, Японии, США, странах Латинской Америки. Пел в Большом зале Московской консерватории, Светлановском зале Московского международного Дома музыки, Государственной академической капелле Санкт-Петербурга, Большом и Малом залах Санкт-Петербургской филармонии, Эрмитажном театре, Государственном Кремлёвском дворце (шоу «Танго страсти Астора Пьяццоллы» с симфоническим оркестром «Concord Orchestra»).
В репертуаре певца — более 30 оперных партий, русские народные песни и романсы, латиноамериканские и неаполитанские песни, классическая камерно-вокальная музыка.
В 2024 году Карлос Д’Онофрио представил в Концертном зале Мариинского театра проект «Душа Латинской Америки», исполнив «Креольскую мессу» и кантату «Рождество Господне» («Navidad Nuestra») аргентинского композитора Ариэля Рамиреса.