Carlo Sironi nasce a Roma nel 1983. A diciotto anni inizia a studiare fotografia e a lavorare nel cinema come aiuto operatore e in seguito come assistente alla regia.
Sofia, il suo primo cortometraggio da regista, è stato in concorso al 28. Torino Film Festival. Dal 2010 dirige videoclip, documentari e programmi televisivi. Cargo, il suo secondo cortometraggio di finzione, è stato presentato in concorso alla 69. Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia e candidato come miglior cortometraggio ai David di Donatello 2013, vincendo vari premi internazionali. Valparaiso, il suo terzo cortometraggio, è stato premiato nel 2016 al Festival di Locarno.
Carlo Sironi è stato selezionato alla Script Station del Berlinale Talent Campus, alla Residence della Cinéfondation e in vari laboratori di sviluppo internazionale.
Il suo primo lungometraggio, Sole, debutta in concorso nella sezione Orizzonti alla 76. Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia, partecipa ai festival di Toronto e Berlino, ottiene una candidatura al David di Donatello e ai Nastri d'argento e vince il Discovery Prize come migliore esordio agli European Film Awards 2020.
Quell'estate con Irène è il suo secondo film, selezionato alla 74. Berlinale.