Carl Buchheister besucht zunächst in Bremen und später in Berlin die Kunstgewerbeschule. Zudem macht er eine kaufmännische Lehre und daran anschließend ein Volontariat in einem Hannoverschen Bankhaus. Um seiner Militärpflicht zu genügen, meldet sich Buchheister 1912 als Einjährig-Freiwilliger in einem Feldartillerie-Regiment in Lothringen. Beim Ausbruch des Ersten Weltkriegs wird er in den Kriegsdienst einberufen. Auch während dieser vier Jahre zeichnet und malt Buchheister, sobald das Kriegsgeschehen ihm Zeit lässt. In dieser Zeit entstehen weit über 100 Bleistift-Skizzen. Nach Kriegsende lässt er sich als Freier Kunstmaler in Hannover nieder, wo er sich bald mit Kurt Schwitters anfreundet. Ab 1923 entstehen die ersten abstrakten Bilder, von denen eine Auswahl 1926 in der Sturm-Galerie Herwarth Waldens gezeigt wird. Mit in Hannover ansässigen Künstlern wie Schwitters und Vordemberge-Gildewart schließt sich Buchheister 1927 zur Künstlervereinigung "Die Abstrakten Hannover" zusammen. Außerdem ist er Mitglied der Pariser Künstlergruppe "Abstraction-Création". 1933 muss Buchheister aufgrund des Nazi-Regimes alle Ehrenämter als Vorsitzender von Künstlervereinigungen niederlegen. Wegen seiner abstrakten Malweise wird er als "entarteter Künstler" eingestuft und 1937 werden einige Arbeiten in Museen beschlagnahmt und vernichtet. Buchheister wird als Hauptmann der Reserve in den Zweiten Weltkrieg eingezogen. Nach seiner Rückkehr aus der amerikanischen Kriegsgefangenschaft im Jahre 1945 arbeitet der Künstler zunächst zurückgezogen in seinem Atelier. In dieser Zeit bildet sich die neue Form für die abstrakten Kompositionen heraus. 1949 lernt er den Maler Karl Otto Götz kennen, mit dem er freundschaftlich verbunden bleibt. Es entstehen Arbeiten auf zwei Ebenen, Bilder, die auf den Rahmen übergreifen und darüber hinausgehen. Anlässlich einer Einzelausstellung in der Zimmergalerie Franck in Frankfurt, trifft er auf Edouard Jaguer, der ihn in Frankreich bekannt macht. Buchheister beschließt 1958, sich dort niederzulassen und verbringt bis 1963 fast die Hälfte des Jahres in Emeville und Paris. In seinen letzten Lebensjahren beschäftigt sich der Künstler mit der Technik der Lithografie. Buchheister verstirbt am 2. Februar 1964 in Hannover. Zahlreiche Ausstellungen und Ehrungen begleiten das künstlerische Schaffen Buchheisters, 1960 wird ihm das Bundesverdienstkreuz Erster Klasse verliehen und 1963 wird er für den Villa Romana-Preis vorgeschlagen. Seine Arbeiten sind in zahlreichen öffentlichen Sammlungen vertreten, u.a. in der Nationalgalerie Berlin, in der Tate Gallery in London, im Solomon R. Guggenheim Museum in New York oder im Nationalmuseum of Modern Art in Tokio.