Geboren als Sohn des Architekten Robert Moser, studierte Karl Moser von 1878 bis 1882 Architektur an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. Nach einem Studienaufenthalt in Paris, wo er auch Aquarelle und Farbzeichnungen schuf,[1] lernte er während einer Anstellung bei Friedrich Lang in Wiesbaden den Architekten Robert Curjel kennen, mit dem er 1888 das Architekturbüro „Curjel & Moser“ in Karlsruhe eröffnete; zeitweise unterhielten sie auch ein Zweigbüro in Basel. Curjel und Moser errangen schon bald auf dem Gebiet des Kirchenbaus Aufmerksamkeit. Ihr Erfolg zeigt sich aber auch an den verschiedenen repräsentativen Bauaufgaben, mit denen sie betraut wurden. Nach der Fertigstellung des Kollegiengebäudes im Jahr 1914 bekam Moser die Ehrendoktorwürde der Universität Zürich verliehen. Die Bürogemeinschaft mit Curjel endete 1915, anschliessend setzte Moser seine Arbeit alleinverantwortlich in Zürich fort. 1917 heiratete seine Tochter, die Sängerin Helene Moser (1893–1965), den Bildhauer August Suter.
Zum 1. Oktober 1915 wurde Moser zum ordentlichen Professor für Baukunst an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ernannt. Als Hochschullehrer beeinflusste er viele später bekannte Architekten, unter anderem Max Ernst Haefeli, Rudolf Steiger und seinen Sohn Werner Max Moser (1896–1970), und erlangte so den Ruf als «Vater der Schweizer Moderne». Zum 1. Oktober 1928 trat Moser in den Ruhestand.
Sein Nachlass wird im Archiv des Instituts für Geschichte und Theorie der Architektur (GTA) an der ETH Zürich aufbewahrt. Seine letzte Ruhestätte hat Moser auf dem Friedhof Fluntern gefunden. In dem Grab sind auch seine Frau Euphemie, geb. Lorenz (1866–1947), ihr Sohn Werner Max, dessen Frau Silva, geb. Schindler (1895–1986), sowie Doris Moser (1908–1973) und Herta Moser (1901–1982) bestattet.
Dorothea Christ, Dorothee Huber; Römisch-Katholische Kirche Basel-Stadt (Hrsg.): Die Antoniuskirche in Basel. Ein Hauptwerk von Karl Moser. Birkhäuser, Basel / Boston / Berlin 1991, ISBN 3-7643-2600-X.
Hans Curjel: Karl Cölestin Moser (1860–1936). In: Argovia, Jahresschrift der Historischen Gesellschaft des Kantons Aargau, Bd. 68–69, 1958, S. 549–554 (Digitalisat).
Ulrike Jehle-Schulte Strathaus: Das Zürcher Kunsthaus. Ein Museumsbau von Karl Moser. In: Geschichte und Theorie der Architektur. Band 22, Birkhäuser, Basel / Boston / Stuttgart 1982, ISBN 3-7643-1242-4.
Konrad Krimm, Wilfried Rößling, Ernst Strebel: Curjel & Moser. Städtebauliche Akzente um 1900 in Karlsruhe. Badischer Kunstverein, Karlsruhe 1987, ISBN 3-89309-020-7 (Katalog zur Ausstellung vom 29. März bis 10. Mai 1987, Badischer Kunstverein Karlsruhe / Europäische Kulturtage Karlsruhe 1987 – Jahrhundertwende).
Werner Oechslin, Sonja Hildebrand (Hrsg.): Karl Moser. Architektur für eine neue Zeit: 1880 bis 1936. 2 Bände, gta, Zürich 2010, ISBN 978-3-85676-250-6.
Wilfried Rößling: Curjel & Moser, Architekten in Karlsruhe, Baden. Eine Werkübersicht unter besonderer Berücksichtigung der Christuskirche und der Lutherkirche in Karlsruhe. C. F. Müller, Karlsruhe 1986, ISBN 3-7880-9735-3
Friedemann Schäfer: Stadtspaziergänge in Karlsruhe – Jugendstil. Braun, Karlsruhe 2007, ISBN 978-3-7650-8360-0.
↑Werner Oechslin, Sonja Hildebrand (Hrsg.): Karl Moser. Architektur für eine neue Zeit: 1880 bis 1936. gta, Zürich 2010, ISBN 978-3-85676-250-6, Band 2, S. 164.