In der legendären „Sissi“-Trilogie erlangt er in der Rolle des Kaiser Franz Joseph in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts bundesweite Bekanntheit, in den siebziger Jahren folgt dann mit verstörenden Auftritten in den Filmen von Rainer Werner Fassbinder die Kehrtwendung zum Autorenfach – Karlheinz Böhm kennt keine Berührungsängste, er spielt in knapp fünfzig Kinofilmen mit, steht auf zahlreichen Theaterbühnen und macht sich durch sein vielfältiges humanitäres Engagement einen Namen
Karlheinz Böhm wird am 16. März 1928 als einziges Kind der Sopranistin Thea Linhard und des Dirigenten Karl Böhm im hessischen Darmstadt geboren. Sein Vater ist geborener Grazer, seine Mutter Münchnerin. Seine Jugend verbringt er in Darmstadt, Dresden und Hamburg, wo er die Volksschule und das Kepler-Gymnasium besucht. Ein gefälschtes ärztliches Attest verhilft ihm 1939 zur Ausreise in die Schweiz, wo er das Lyceum Alpinum Zuoz besucht. Nach dem Ende des Krieges zieht er 1946 mit seinen Eltern nach Graz, wo er im selben Jahr die Matura ablegt.
Ursprünglich möchte Karlheinz Böhm Pianist werden, doch beim Vorspielen heißt es seiner Biografie zufolge: „…für den Sohn vom Böhm ist es ein bisschen dürftig“. Er studiert auf Drängen seines Vaters Anglistik und Germanistik und anschließend in Rom Kunstgeschichte. Doch schon bald bricht er sein Studium ab, um Schauspielunterricht zu nehmen.
An der Seite von Romy Schneider und deren Mutter Magda Schneider verkörpert Karlheinz Böhm in allen drei „Sissi“-Filmen (1955 bis 1957) den österreichischen Kaiser Franz Joseph – die Rolle macht ihn landesweit bekannt. Danach kann man ihn in zahlreichen weiteren sogenannten Heimatfilmen sehen – wie in „Das Schloß in Tirol“ (1957), in „Blaue Jungs“ (1957), in „Man müsste nochmal zwanzig sein“ (1958), neben Gustav Knuth in „Das Dreimäderlhaus“ (1958) und in „La Paloma“ (1959). Durch diese Auftritte wird er als Schauspieler auf ein Genre festgelegt – dem er in der Folge zu entfliehen sucht.
Karlheinz Böhms Karriere als Schauspieler wird 1960 durch seine Darstellung eines Serienmörders in Michael Powells „Peeping Tom“ (1960) jäh unterbrochen, da Kritik und Publikum den Film damals wegen seines beklemmenden Inhalts ablehnen – niemand in Deutschland will den schneidigen Kaiser aus „Sissi“ als „Peeping Tom“, als einen perversen Spanner und Frauenmörder sehen. Erst in den achtziger Jahren wird der Film neu bewertet – er gilt heute unter Cineasten als einer der besten dieses Genres.
In den siebziger Jahren beginnt dann die Zusammenarbeit mit Rainer Werner Fassbinder – die Rolle, die Karlheinz Böhm in dessen Psychothriller „Martha“ (1974) an der Seite von Margit Carstensen, Ortrud Beginnen und Ingrid Caven spielt, löst nicht viel Sympathie bei den Zuschauern aus, allerdings beherrscht er die Rolle des psychopathischen Sadisten meisterhaft. Danach folgen noch drei weitere Fassbinder-Produktionen – „Faustrecht der Freiheit“ (1975), „Effi Briest“ (1974) mit Hanna Schygulla und „Mutter Küsters Fahrt zum Himmel“ (1975). Beeinflusst von dem gesellschaftskritischen Impetus des Regisseurs beginnt Karlheinz Böhm, sich immer stärker für globale Probleme zu interessieren.
1976 wird Karlheinz Böhm zum ersten Mal mit der Armut in Afrika konfrontiert – eine der Ursachen dafür sieht der Schauspieler in der sozialen Benachteiligung der Frauen. 1981 gründet Karlheinz Böhm die Hilfsorganisation „Menschen für Menschen“ – seitdem verbringt er viele Jahre mehrere Monate im Jahr in Äthiopien und besucht die einzelnen Projekte.
Karlheinz Böhm wird für sein Wirken im deutschen Film und für sein humanitäres Engagement mit zahlreichen Preisen geehrt. 2008 erhält in Salzburg das Europagymnasium Salzburg-Nonntal anlässlich seines achtzigsten Geburtstages den Namenszusatz Karlheinz Böhm-Gymnasium. 2011 wird Karlheinz Böhms Wirken zudem mit dem „Karl-Platz“ und einer Skulptur im Diplomatenviertel in der äthiopischen Hauptstadt Addis Abeba gewürdigt.
Karlheinz Böhm ist viermal verheiratet – seine erste Ehe mit Elisabeth Zonewa hält von 1954 bis 1957, aus dieser Beziehung stammt eine Tochter. Danach ist er mit Gundula Blau verheiratet – aus dieser Beziehung stammen drei Kinder, unter anderem die Schauspielerin Kristina Böhm. Aus der dritten Ehe mit Barbara Lass geht eine Tochter, die Schauspielerin Katharina Böhm, hervor. Seit 1991 ist Karlheinz Böhm mit der aus Äthiopien stammenden Almaz Böhm verheiratet – das Paar hat zwei Kinder. Karlheinz Böhms ältester Enkel Florian Böhm ist ebenfalls Schauspieler.
Bis zu seinem Tod lebt Karlheinz Böhm abwechselnd in Äthiopien und in München.
Karlheinz Böhm stirbt am 29. Mai 2014 im österreichischen Grödig.