Karl August Möbius wurde am 7. Februar 1825 in Eilenburg geboren. Nachdem er 1844 in Weißenfels das Lehrerexamen mit Auszeichnung ablegte, arbeitet er zunächst an der Realschule von Seesen am Harz. 1849 schrieb er sich an der Universität Berlin für Naturwissenschaften und Philosophie ein und wurde nach Beendigung des Studiums 1853 Lehrer für Zoologie, Botanik, Mineralogie, Geographie, Physik und Chemie am Johanneum in Hamburg. In Hamburg errichtete er 1863 das erste öffentliche Meerwasseraquarium ein.

1868 folgte der Ruf an den neugegründeten Lehrstuhl für Zoologie an der Christian-Albrechts Universität Kiel, wo er unter anderem die Leitung des Zoologischen Museums übernahm. Von besonderem Interesse waren für Möbius dabei stets die Seetiere und die Untersuchung der Lebenswelten der Kieler Bucht. Gemeinsam mit Heinrich Adolph Meyer veröffentlichte er das zweibändige Werk Die Fauna der Kieler Bucht. Für ihre Untersuchungen, benutzen sie seit 1862 das erste in Kiel – noch unter dänischer Flagge – beheimatete Forschungsfahrzeug, Meyers Lustyacht „Marie“. Dabei prägte Hensen den heute weltweit gebräuchlichen Begriff „Plankton“ für frei im Wasser treibende und schwebende Organismen, Möbius den Begriff „Biozönose“ für (marine) Lebensgemeinschaften von Pflanzen und Tieren. Noch heute ist das Biozönose-Konzept eines der grundlegenden Konzepte der Biologie. 

1879 wurde Möbius Rektor der Universität Kiel und machte sich für einen verbesserten naturwissenschaftlichen Schulunterricht in Deutschland stark. Seine wichtigste inhaltliche Veränderung war die Abkehr von der taxonomischen Lehrmethode hin zu einem an biologischen Phänomenen orientiertem Unterricht. 1988 verließ er Kiel und übernahm die Leitung der Zoologischen Sammlung im neuen Museum für Naturkunde in Berlin und eine Professur an der dortigen Universität.  

Möbius verstarb am 26. April 1908 mit 83 Jahren in Berlin.