Polityka wewnętrzna 8 lipca 1859 roku po śmierci Oskara I przejął władzę jako król Szwecji i Norwegii. Mimo że należał do konserwatystów zgodził się na przeprowadzenie wielu doniosłych reform, w większości wprowadzonych w życie przez liberalny rząd Luisa de Geer. Najważniejszą z nich była reforma konstytucyjna z 1866 roku, znosząca przedstawicielstwo czterech stanów i wprowadzająca dwuizbowy parlament – Riksdag. Za jego panowania stopniowo likwidowano również ograniczenia ekonomiczne, takie jak m.in. zniesienie organizacji cechowej w rzemiośle. Zreformowany został kodeks karny i samorząd lokalny, poszerzono ramy tolerancji religijnej i wolności prasy.
Polityka zagraniczna Niepowodzenia spotkały Karola XV w polityce zagranicznej. Należał do oponentów Ottona von Bismarcka oraz opowiadał się za ideą panskandynawizmu, próbując wskrzesić unię kalmarską. Obiecał udzielić wsparcia królowi Danii, Fryderykowi VII, jednak po wybuchu wojny duńsko-pruskiej w 1864 roku rząd szwedzki odmówił wypełnienia tych zobowiązań.