Formalmente duca di Savoia dal 1638, ma sotto la tutela della madre Maria Cristina (figlia del re di Francia Enrico IV e di Maria de Medici), che prese il titolo di Madame Royale. Alla morte della madre (1663) provvide a riassestare le finanze dello Stato e riformare l'esercito. Si dedicò pure ad opere pubbliche, chiamando l'architetto Carlo di Castellamonte, che progettò piazza S.Carlo a Torino, poi il Castello di Rivoli e infine la Reggia di Venaria Reale, completata sotto il figlio Vittorio Amedeo II.

Il corpo dei Granatieri ebbe origine da una riforma organica dell'esercito del ducato di Savoia operata da Carlo Emanuele II.