Carlos Román-Zúñiga estudió la preparatoria en la ENP 8 y Física en la Facultad de Ciencias UNAM. Hizo estudios de posgrado (maestría y doctorado) en la Universidad de Florida, donde trabajó con Elizabeth Lada en el proyecto FLAMINGOS y en un sondeo infrarrojo de estrellas jóvenes en el complejo de la Rosetta. Hizo estancias posdoctorales con Charles Lada en el Centro Smithsonian para la Astrofísica en Harvard, EEUU y con Joao Alves en el Centro Astronómico Hispano Alemán, en Granada, España. Con ellos trabajó principalmente en estudios de propiedades y estructura de nubes moleculares a través de datos de fotometría infrarroja.

Sus intereses actuales se enfocan en el estudio de las propiedades fundamentales de las estrellas de pre-secuencia principal, la formación y evolución de cúmulos estelares jóvenes, las estructura de las nubes moleculares y el medio interestelar en regiones de formación estelar de la Galaxia. Su trabajo es principalmente observacional, con un enfoque en el uso de múltiples frecuencias, basado en datos de fotometría y espectroscopía en el óptico e infrarrojo, mapas de emisión en ondas milimétricas, así como emisión estelar en Rayos-X. Actualmente participa en varios proyectos de los programas Milky Way Mapper y Local Volume Mapper del consorcio Sloan Digital Sky Survey. Es líder del grupo de trabajo con contrapartes del sondeo VLA Survey of Orion A, de la Universidad de Barcelona.

Desde 2012 es investigador en el Instituto de Astronomía de la UNAM en Ensenada, BC. Ha publicado resultados de sus investigaciones y colaboraciones en revistas de alto impacto, en las cuales también ha sido árbitro de manera regular. Ha dirigido tesis a nivel licenciatura, maestría y doctorado. Ha supervisado estancias posdoctorales. Ha impartido cursos a nivel licenciatura y posgrado. También ha realizado numerosas actividades de divulgación y difusión de la ciencia, y ha presentado resultados de sus trabajos en numerosas conferencias nacionales e internacionales. 

Sus investigaciones han sido financiadas varias veces con fondos de CONAHCYT y DGAPA-UNAM, y también ha servido como evaluador de varios programas en esas instancias.

Es miembro regular de la Sociedad Mexicana de Física, de la Unión Astronómica Internacional, de la Asociación Centroamericana y del Caribe de Astronomía. Es actualmente miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel II) y del Programa de Estímulos al Desempeño del Personal Académico de Tiempo Completo (PRIDE, Nivel D).

Ha servido como coordinador de divulgación de la ciencia para el Instituto de Astronomía, como representante de la dirección del Instituto de Astronomía ante el Comité Académico del programa de posgrado en Astrofísica, como miembro de la Comisión Académica de Ensenada (CADE) y del Consejo Interno.