Carlo Vistoli begann seine Gesangsausbildung 2007 bei William Matteuzzi und Sonia Prina und gab 2012 sein Bühnendebüt mit Dido & Aeneas. Er wurde mit mehreren Preisen bei internationalen Gesangswettbewerben ausgezeichnet, darunter der «Farinelli-Preis» beim Gesangswettbewerb Città di Bologna 2012 und der Erste Preis in der Barocksektion des Wettbewerbs «Renata Tebaldi» 2013 in San Marino.
Er wurde für die Ausgabe 2015 des Programms „Le Jardin de Voix“ ausgewählt, das von William Christie geleitet wird und mit dem er seither regelmäßig zusammenarbeitet. Zu den Höhepunkten seiner Karriere zählen Giulio Cesare in Egitto von Händel in Shanghai, Dafne von Caldara in Venedig, Agrippina von Händel in Brisbane (für die er mit einem Helpmann Award ausgezeichnet wurde), Erismena von Cavalli in Aix-en-Provence unter der Leitung von Leonardo García Alarcón. 2017 nahm er an John Eliot Gardiners Projekt Monteverdi450 teil, das international auf Tour ging.
Zu seinen jüngeren Produktionen gehören u. a. Vivaldis Orlando furioso am Teatro La Fenice in Venedig, Monteverdis L’incoronazione di Poppea bei den Salzburger Festspielen, Artaserse von Hasse in Sydney, La Finta pazza von Sacrati in Dijon mit Alarcón, Orfeo ed Euridice von Gluck an der Oper Rom in der Inszenierung von Robert Carsen, sowie Händels Semele mit Gardiner in Paris, London und Mailand (Teatro alla Scala).
2021 sang er in Händels Rinaldo in Lausanne sowie erneut Giulio Cesare in Egitto, wobei er erstmals die Titelrolle in Basel und Madrid unter der Leitung von Andrea Marcon übernahm. Er wirkte außerdem in La Rappresentatione di Anima et di Corpo von Cavalieri am Theater an der Wien mit (unter der Leitung von Antonini und in der Inszenierung von Carsen). Zudem ging er mit Cecilia Bartoli und Gianluca Capuano mit Pergolesis Stabat Mater auf Tournee und debütierte am Bolschoi-Theater in Moskau als Polinesso in Händels Ariodante in der Inszenierung von David Alden.
In der Saison 2021/22 wirkte er in zwei Neuproduktionen von Damiano Michieletto mit: Orfeo ed Euridice an der Komischen Oper Berlin und Giulio Cesare in Egitto am Théâtre des Champs-Élysées in Paris als Tolomeo unter der Leitung von Philippe Jaroussky. Weitere Highlights waren Xerse von Cavalli beim Festival della Valle d'Itria in Martina Franca, Ruggiero in Händels Alcina an der Seite von Cecilia Bartoli in Florenz (mit Capuano und Michieletto) sowie zum ersten Mal Nerone in L'incoronazione di Poppea an der Staatsoper Berlin unter der Leitung von Jean-Christophe Spinosi, mit dem er auch 2023 die Titelrolle in Vivaldis Orlando furioso konzertant am Théâtre des Champs-Élysées sang.
Im selben Jahr trat er im Festspielhaus Baden-Baden in Händels Il Trionfo del Tempo e del Disinganno mit den Berliner Philharmonikern unter Emmanuelle Haïm auf, sang in der Theaterreihe der Opéra du Rhin im Elsass in L’incoronazione di Poppea und kehrte in Semele an die Komische Oper Berlin zurück.
In der Saison 2023/2024 sang er erneut an der Staatsoper Berlin als Farnace in Mozarts Mitridate, übernahm nochmals die Rolle des Orfeo in Carsens Inszenierung in Valencia, sowie die beiden Titelrollen in Rinaldo und Giulio Cesare (letzteres wieder an der Seite von Cecilia Bartoli) auf Europatournee und am Théâtre des Champs-Élysées. Er debütierte an der San Francisco Opera als Arsace in Händels Partenope, an der Wiener Staatsoper in Giulio Cesare in Egitto und sang erstmals Alidoro in Cestis Orontea an der Mailänder Scala. Zudem war er beim Verdi Festival in Parma in Monteverdis Il combattimento di Tancredi e Clorinda zu erleben.
2025 kehrt er an die Oper Rom zurück, in einer Neuproduktion von Händels Alcina unter der Regie von Pierre Audi und der musikalischen Leitung von Rinaldo Alessandrini. Außerdem wird er an der Mailänder Scala in der neuen Oper Il nome della rosa von Francesco Filidei auftreten (Dirigent: Ingo Metzmacher, Regie: Michieletto) und sein Debüt am Londoner Royal Opera House Covent Garden in Händels Semele als Athamas geben – eine Produktion, die auch am Théâtre des Champs-Élysées in Paris zu sehen sein wird. Ebenfalls erstmals wird er bei den Innsbrucker Festwochen der Alten Musik und beim Bayreuth Baroque Opera Festival auftreten.
Carlo Vistoli wurde von der italienischen Musikkritik mit dem Premio „Franco Abbiati“ (43. Ausgabe) als bester Sänger 2023 ausgezeichnet. Zudem gewann er 2024 den „Jan Shrem and Maria Manetti Shrem Emerging Stars Competition“ der San Francisco Opera.
Er hat für Labels wie Alpha, Brilliant, Erato, Harmonia Mundi, Ricercar, Soli Deo Gloria und andere aufgenommen. Seine ersten drei Soloalben erschienen bei Arcana. Sein jüngstes Soloalbum Sacro furore, das geistlichen Werken von Vivaldi gewidmet ist, markiert den Beginn seiner neuen Zusammenarbeit mit dem Label Harmonia Mundi.