Carlos Martins Gonçalves Pena nasceu em Minas Gerais. Estudou o preparatório no Ginásio Mineiro, em Barbacena, e em 1896 ingressou na Escola de Farmácia de Minas Gerais. Posteriormente transferiu-se para o Rio de Janeiro, onde formou-se em Engenharia Civil pela Escola Politécnica do Rio de Janeiro no ano de 1902.
Casou-se com Cândida de Rezende Tostes, filha de Cândido Teixeira Tostes, um dos maiores cafeicultores de Minas Gerais e diretor do Banco de Crédito Real de Minas.
Em 09/05/1905, através da lei nº. 1.023, foi instituída a Comissão Construtora do Theatro Municipal. Carlos Gonçalves Pena foi designado para o cargo de Secretário da referida comissão, chefiada por Francisco de Oliveira Passos. Com o fim das obras e a criação da Diretoria Geral do Theatro Municipal em 10/05/1910, Carlos Gonçalves Pena vai para a Diretoria Geral de Obras e Viação Municipal, onde atuou como Ajudante de 1º Classe.
Em 26/06/1911 foi nomeado para assumir interinamente o cargo de Diretor Geral do Theatro Municipal durante o afastamento de Francisco de Oliveira Passos em decorrência de um tratamento de saúde. Permaneceu no cargo até o retorno do titular em 24/11/1911, voltando, em seguida, para a Diretoria de Obras e Viação.
Fez parte da Comissão responsável pela organização da Exposição Internacional do Centenário da Independência do Brasil, ocorrida entre 1922 e 1923.
Com a extinção da Diretoria Geral de Obras e Viação, e a criação da Diretoria de Engenharia, em 13/04/1931, Carlos Gonçalves Pena é transferido para a nova repartição. Alcançou o cargo de Subdiretor em março de 1932 durante a reforma na Diretoria de Engenharia levada a cabo por Delso Mendes da Fonseca. Em setembro de 1933, recusou o convite para exercer o cargo de prefeito da cidade de Juiz de Fora, no Estado de Minas Gerais. Foi nomeado em março de 1934 pelo Interventor do Distrito Federal, Pedro Ernesto Batista (1931-1934), para integrar uma comissão responsável por estudar as propostas de construção do metrô no Rio de Janeiro.
No segundo mandato de Pedro Ernesto (1935-1936), dessa vez como Prefeito do Distrito Federal, Carlos Gonçalves Pena foi nomeado Diretor de Trabalho, Matas e Jardins, cargo vinculado à recém criada Secretaria de Viação, Trabalho e Obras Públicas.
Foi Presidente do Club Municipal, Tesoureiro da Comissão Central da Construção do Hospital dos Operários Municipais e Sócio do Automóvel Club do Brasil. Em 1953, foi nomeado Mordomo da Capela da Santa Casa de Misericórdia do Rio de Janeiro, sendo responsável pela organização das missas na capela.
Faleceu no Rio de Janeiro, em 06/03/1968.
José Ygor