Karl Fagerström nació en Suecia en 1946. Estudió en la Universidad de Uppsala y se graduó como psicólogo clínico con licencia en 1975. En ese momento, abrió una clínica de cesación del tabaquismo e inventó la prueba de dependencia del tabaco de Fagerström. En 1981 obtuvo su doctorado con una tesis sobre dependencia de la nicotina y cesación del tabaquismo. A finales de los años 70 y principios de los 80, fue editor jefe de la revista escandinava de terapia conductual. De 1983 a 1997, trabajó para Pharmacia & Upjohn como director de información científica para los productos de reemplazo de nicotina. Ha trabajado con la goma de nicotina Nicorette desde 1975 y ha contribuido al desarrollo de terapias de reemplazo de nicotina, como parches, aerosoles, bolsas e inhaladores. Desde 1975 hasta 2010, ha trabajado clínicamente a tiempo parcial. De 1997 a 2008, trabajó con su clínica de investigación privada donde estudió varios medicamentos destinados a tratar la dependencia de la nicotina. Fundó una empresa, NicoNovum, que desarrolló productos orales de nicotina bajo la marca Zonnic.
Actualmente, trabaja con su propia consultoría privada (Consultoría Fagerström). Es miembro fundador de la Sociedad de Investigación sobre Nicotina y Tabaco (SRNT) y actualmente es subeditor de Nicotine & Tobacco Research. Fundó la filial europea de SRNT en 1999, de la cual fue presidente hasta 2003. Sus principales contribuciones de investigación han sido en los campos de la medicina conductual, el tabaco y la nicotina con 180 publicaciones revisadas por pares, de las cuales es el primer autor de alrededor de 110. Sus principales intereses actuales son comprender los efectos positivos de la nicotina y reducir el daño y la exposición a las toxinas del tabaco entre todos aquellos que no pueden dejar de fumar.
Recibió la medalla de la Organización Mundial de la Salud en 1999 por su destacado trabajo en el control del tabaquismo y en 2013 recibió el Premio de Ciencia Clínica de la Sociedad para la Investigación de Tabaco y Nicotina.