Il étudie la zoologie à Wurtzbourg où il obtient un titre de docteur avec une thèse sur les mollusques en 1856. Il commence à enseigner dans cette même ville en 1866 puis devient, trois ans plus tard, professeur de l’université. De 1858 à 1865, il voyage dans les Philippines et l’archipel de Palau. Sa mauvaise santé, à la suite d'une attaque en 1897, l’oblige à prendre sa retraite en 1892.
Ses deux frères sont également zoologistes : Otto Semper(de) (1830-1907) est malacologiste et Georg Semper (1837-1909) est entomologiste. Les trois frères travaillent pour le muséum Godeffroy de Hambourg.
Semper fait paraître plusieurs ouvrages sur ses voyages. Il donne également des conférences aux États-Unis d'Amérique au Lowell Technological Institute (aujourd’hui l’université Lowell du Massachusetts). Ses observations ethnologiques faites dans le Pacifique sont d’une grande importance.
Liste partielle des publications
Reisen im Archipel der Philippinen (5 vol. of 10, 1868-1916)
Palau-Inseln im Stillen Ocean (1873)
Die Natürlichen Existenzbedingungen der Thiere (1880)
Neal L. Evenhuis (2007). The Godeffroy Museum Catalogs in Relation to Fiji Terrestrial Arthropods. Part I: Introduction and Review of Myriapoda, Diptera, Odonata, and Smaller Hexapod Orders, Bishop Museum Occasional Papers, 91 : 17-28. (ISSN0893-1348)
Bibliographie
Charles Coulston Gillispie: Dictionary of Scientific Biography, Verlag Charles Scribner's Sons, 1980
The History of the Collections Contained in the Natural History Departments, herausgegeben vom Britischen Museum, 1906
August Schuhberg: Carl Semper, Professor der Zoologie und vergleichenden Anatomie an der Universität Würzburg. Stahel, Würzburg 1893.
Herbert Weidner: Semper, Carl Gottfried. In: Schleswig-Holsteinisches Biographisches Lexikon. Band 2. Karl Wachholtz Verlag, Neumünster 1971, (ISBN3-529-02642-5), S. 215–218.