Nació un 25 de febrero de 1911, a escasos tres meses del estallido de la Revolución Mexicana, en el pueblo duranguense de Guanaceví, comunidad dedicada a la minería. Falleció en la Ciudad de México, el 13 de enero de 1988.
Era hijo de Carlos Graef Ziehl, ingeniero de minas de formación de origen alemán, por lo que hablaba bastante bien la lengua materna de su padre. Además, realizó sus primeros estudios de secundaria y bachillerato en México, en el Colegio Alemán, donde perfeccionó el idioma. Más adelante partió a Europa a realizar dos años de estudio en la Escuela Técnica Superior de Darmstadt, Alemania, donde no pudo concluir sus estudios por la situación económica precaria que padecía su padre y tuvo que regresar a México.
El gusto de Graef por la física llegó por su madre, Gudelia Fernández Espinosa, quien le regaló el libro Física sin aparatos, escrito por el profesor de la Escuela Normal, Luis G. León.
Como le describiría su gran amigo Alberto Barajas Celis: “la valoración de su personalidad será inexacta. Campeón estudiantil de tres mil metros planos, valiente clavadista, resistente remero, sorprendía a sus alumnos compitiendo con ellos en la barra fija que alguna vez se instaló en el patio de la Preparatoria. Lector incansable y paciente caminante, su curiosidad lo ha llevado por todos los libros y todos los caminos. Matemáticos, físicos, filósofos, detectives, franciscanos del siglo XVI, ladrones de tumbas egipcias, escritoras de tenue virtud, han enriquecido su imaginación y pulido su espíritu”.
Su desempeño académico le permitió realizar estudios de Ingeniería Civil en el Technische Hochshule, en Alemania. A su regreso a México, estudió en la Escuela Nacional de Ingeniería (hoy Facultad de Ingeniería), de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) Física teórica. Más adelante, junto con su amigo Alberto Barajas Celis, estudió Matemáticas en la Escuela Nacional de Ciencias y Matemáticas (hoy Facultad de Ciencias), también de la UNAM. Graef y Barajas fueron los primeros alumnos en la carrera de Matemáticas.
Hacia 1937 fue becado por la John Simon Guggenheim Memorial Foundation, y de esa forma cursó un doctorado en ciencias, con especialidad en física teórica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). En 1940 realizó estudios de astronomía y astrofísica, en la Universidad de Harvard.
En 1937, por sugerencia de su asesor, el eminente científico mexicano, Manuel Sandoval Vallarta, comenzó a realizar estudios sobre las órbitas de las partículas cargadas de electricidad que se mueven en el campo magnético de la Tierra. Demostró que existen infinidad de movimientos posibles en este plano, y clasificó varios tipos de ellos, mediante expresiones matemáticas que describen las órbitas periódicas ecuatoriales. Tomando como base estos estudios, comprobó la interacción que ejerce la rotación de la Vía Láctea en las partículas de radiación cósmica. En su tesis doctoral, Órbitas periódicas de la radiación cósmica, concluyó que las trayectorias periódicas cortan el ecuador magnético, resultado que se comprobó años más tarde.
Su investigación principal, durante 24 años, fue el desarrollo de la teoría de gravitación de Birkhoff, teoría cuya característica era una estructura mucho menos compleja matemáticamente que la de Albert Einstein. En ese proyecto trabajó en colaboración con Alfredo Barajas Celis, Manuel Sandoval Vallarta y el mismo Birkhoff. Este equipo destacado abordó y resolvió problemas como: los principios de conservación en la teoría, el movimiento de dos cuerpos en interacción gravitacional, el campo gravitacional que produce un punto masa en movimiento arbitrario, los principios variacionales para el movimiento de los planetas, la expansión del Universo, el movimiento de una masa que aniquila su propio campo gravitacional, del potencial de un punto masa a las ecuaciones del campo, entre otros.
Hacia 1944 tuvo un encuentro con el reconocido científico Alberto Einstein, con quien disertó sobre la Teoría de Gravitación de Birkhoff. La frase con la que Einstein concluyó su encuentro con Graef fue: “Carlos, usted nación rebelde, le deseo mucha suerte”.
Fue fundador (a lado de Luis Enrique Erro y Manuel Sandoval Vallarta) y subdirector, del Observatorio Astrofísico Nacional de Tonantzintla, Puebla, de 1941 a 1944. Vicepresidente de la Sociedad Matemática Mexicana; investigador y director del Instituto de Física de la UNAM, Fue fundador de la Sociedad Mexicana de Física y presidente ésta. Fundador y presidente de la Sociedad Mexicana de Radioisótopos.
Delegado de México ante la Comisión de Energía Atómica de las Naciones Unidas, donde participó también en las conferencias sobre usos pacíficos de energía nuclear.
Contribuyó en el Grupo de Estudio sobre Desalación de Agua de Mar para el Noroeste de México y Suroeste de los Estados Unidos; presidente del Grupo de Expertos en Energía Nuclear y coordinador general de Uranio Mexicano.
De 1956 a 1963, fue asesor científico de la Comisión Nacional de Energía Nuclear (CNEA), institución predecesora del ININ, y director del Centro Nuclear de México, a inicios de su fundación, de 1964 a 1970.
Carlos Graef Fernández es considerado uno de los científicos mexicanos más brillantes y visionarios, quien impulsó el estudio de la ciencia nuclear en México, cuando nadie conocía esa área en México.
Su participación fue fundamental en la construcción y fundación del Centro Nuclear de México, junto con otros destacados científicos como Nabor Carrillo Flores, su maestro Manuel Sandoval Vallarta, su amigo entrañable Alberto Barajas Celis, entre otros.
“Graef significa un estilo de hacer ciencia, de amar a la ciencia, de devoción a la Universidad y a México”. Alberto Barajas Celis.