Erdélyi szász család sarjaként jött a világra Temesvárott, apja, Karl Kosch postatisztviselő volt. A nagyszebeni és a kolozsvári diákévek után a budapesti Műegyetem építész szakán folytatta tanulmányait, 1907-ben lediplomázott, és ebben az évben jelent meg első könyve, Székely balladák címmel. Ösztöndíjasként Székelyföld, Torockó és Kalotaszeg építészetét és néprajzát tanulmányozta. Így alakította ki sajátos stílusát, amelyben a szecesszió és az erdélyi népi építészet, díszítőművészet elemei keverednek. Részt vett a Magyar Néppárt és az Erdélyi Szépmíves Céh megalakításában, szerkesztette Benedek Elek Vasárnap című politikai újságját, a Céh jelentette meg első regényét, a Varjú nemzetséget is. 1931 és 1944 között szerkesztette az Erdélyi Helikon című folyóiratot, 1934-ben elvállalta a kalotaszegi református egyházmegye főkurátorságát is. Ebben az évben saját illusztrációival megjelent Az országépítő című, Szent Istvánról szóló történelmi regénye, amelyért Baumgarten-díjat kapott. A szintén történelmi témájú Budai Nagy Antal című drámáját a pesti Vígszínház mutatta be. 1940-ben – az erdélyi magyarságért végzett munkájáért – Corvin-koszorúval tüntették ki. 1940-ben a kolozsvári Mezőgazdasági Főiskolán a gazdasági építészet tanárává nevezték ki, 1945-től a főiskola dékánja, 1946–48-ban országgyűlési képviselő volt. 1952-ben nyugdíjba vonult, de az írással és a tervezéssel nem hagyott fel. Infarktusa, majd feleségének 1973-ban bekövetkezett halála után egészsége megromlott. Kós Károly 1977. augusztus 25-én hunyt el, sírja a kolozsvári Házsongárdi temetőben található.