Professore di Letteratura italiana a Londra, dove svolse la maggior parte della sua carriera universitaria, fu tra i maggiori storici della letteratura italiana e in particolare uno dei massimi studiosi italiani di Pietro Bembo.
Nel 1947 lasciò l'Italia per diventare lettore di italiano all'università di Oxford. Nel 1949 andò a insegnare Letteratura italiana al Bedford College di Londra.
Scrisse su diverse riviste, ma il suo profilo di studioso resta particolarmente legato a due, il già menzionato "Giornale storico della letteratura italiana", del quale fu redattore su sollecitazione dei suoi maestri, Cian, Ferdinando Neri e Santorre Debenedetti, e "Italia medioevale e umanistica", di cui è stato fondatore e condirettore con Billanovich, Campana e Sambin; ciò non toglie che la sua attività di studioso annoveri contributi anche su altre riviste, tra le quali andranno ricordate gli "Studi di filologia italiana" e "Lettere italiane", solo per fare qualche nome.
Fu conoscitore profondo della letteratura italiana del Quattrocento e del Cinquecento. Su questo argomento sono di assoluta importanza gli studi raccolti in Geografia e storia della letteratura italiana, che costituisce una vera e propria svolta negli studi di storia della letteratura italiana, paragonabile solo (in ambito accademico) alla contemporanea attività, di diversa forma ma di pari levatura, di Gianfranco Contini, e i saggi su Machiavelli. Nel 1973 con Maria Adriana Prolo, Fernanda Renolfi e Giuseppe Tinelli fondò il Museo storico etnografico della Bassa Valsesia, che oggi dedica a lui una sezione.
Dionisotti morì nel 1998 a Londra: riposa a Romagnano Sesia.
In ambito specificamente filologico spiccano soprattutto le edizioni di opere di Pietro Bembo e una nutrita serie di scritti su di lui (ora in gran parte raccolti), che diede un contributo essenziale alla storia degli studi bembiani. Di rilievo è il novero dei suoi studi sul Rinascimento; In tal senso è prezioso il volume Gli umanisti e il volgare fra Quattro e Cinquecento (1968), che fa perno su personaggi maggiori (Aldo Manuzio, Lorenzo Valla, Poliziano) e minori (Filippo Beroaldo, Francesco Colonna, Giorgio Valla, Battista Pio) per illustrare la complessa materia degli studi latini e volgare nei cenacoli umanistici italiani a cavallo dei due secoli. Sull'attività di Aldo Manuzio pubblicò più avanti altri importanti studi[5][6], mentre nel frattempo offriva proposte molto innovative sulla figura di Niccolò Machiavelli[7]. Più tardi concentrò i suoi studi, prima essenzialmente, anche se non esclusivamente, quattro-cinquecenteschi, su figure del nostro Ottocento (Foscolo, Leopardi, Manzoni, Giordani) e raccolse poi buona parte dei frutti delle sue ricerche nella raccolta Appunti sui moderni (1988) a cui nel 1989 fu assegnato il Premio Viareggio per la saggistica.
L'opera fondamentale di Dionisotti è considerata Geografia e storia della letteratura italiana (1967). Questa raccolta di saggi fu di decisiva importanza per gli studi letterari, modificando la prospettiva "unitaria" di Francesco De Sanctis secondo cui la storia della letteratura italiana avrebbe seguito una linea che portò progressivamente all'unità nazionale. Dionisotti mostrò invece la molteplicità delle linee di sviluppo delle tradizioni locali e regionali tra resistenze e progressi.
Il rapporto strettissimo in Dionisotti tra impegno civile studi storici è attestato, oltre che dalla sua militanza in "Giustizia e Libertà" e nei suoi rapporti con personaggi celebri del movimento (quali per esempio Leone Ginzburg, Franco Venturi, Norberto Bobbio) in saggi del respiro di Chierici e Laici (già in Geografia e storia della letteratura italiana, poi pubblicato indipendentemente nel 1995 con un contributo di Delio Cantimori), in scritti biografici e in numerosi scritti degli anni del fascismo e della ricostruzione, la maggior parte dei quali sono stati raccolti e pubblicati postumi.
Pietro Bembo, Prose della volgar lingua, introduzione e note di Carlo Dionisotti Casalone, Torino, Unione Tipografico-Editrice Torinese, 1931.
Pietro Bembo, Gli Asolani e le Rime, introduzione e note di Carlo Dionisotti Casalone, Torino, Unione Tipografico-Editrice Torinese, 1932.
Giovanni Guidiccioni, Orazione ai nobili di Lucca, 1945.
Early Italian Texts, Oxford, 1949; II ed., 1965. Con Cecil Grayson.
Maria Savorgnan-Pietro Bembo, Carteggio d'amore (1500-1501), a cura di Carlo Dionisotti, Firenze, F. Le Monnier, 1950.
Oxford Book of Italian Verse, antologia della poesia lirica italiana a cura di C. Dionisotti, Oxford, 1952.
Pietro Bembo, Prose e Rime, a cura di Carlo Dionisotti, Torino, Unione Tipografico-Editrice Torinese, 1960; II ed., 1966.
Appunti sul Bembo, in Italia medioevale e umanistica, vol. 8, Padova, Antenore, 1965, pp. 269-291.
Bembo, Pietro, in Dizionario biografico degli italiani, vol. 8, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1966.
Geografia e storia della letteratura italiana, Torino, Einaudi, 1967.
Machiavellerie. Storia e fortuna di Machiavelli, Torino, Einaudi, 1980.
Ricordo di Arnaldo Momigliano, Bologna, Il Mulino, 1989.
Natalino Sapegno dalla Torino di Gobetti alla cattedra romana, Bollati Boringhieri, Torino, 1994.
Ricordo di Carlo Calcaterra, testo introduttivo in Da Petrarca a Gozzano. Ricordo di Carlo Calcaterra, Novara, Interlinea - Centro Novarese di Studi Letterari, 1994.
Appunti su arti e lettere, Milano, Jaca Book, 1995.
Chierici e laici, con una lettera di Delio Cantimori, Novara, Interlinea edizioni, 1995.
Aldo Manuzio umanista e editore, Milano, Il Polifilo, 1995.
Ricordi della scuola italiana, Roma, Edizioni di Storia e Letteratura, 1998.
Lezioni inglesi, a cura di Tiziana Provvidera, con Carlo Dionisotti's Taylorian Lecture di Giovanni Aquilecchia, Torino, Aragno, 2002.
Scritti sul Bembo, a cura di Claudio Vela, Torino, Einaudi, 2002.
Boiardo e altri studi cavallereschi, a cura di Giuseppe Anceschi e Antonia Tissoni Benvenuti, Novara, Interlinea edizioni, 2003.
Scritti sul fascismo e sulla Resistenza, a cura di Giorgio Panizza, Torino, Einaudi, 2008.
Scritti di storia della letteratura italiana, 4 voll., a cura di Tania Basile, Vincenzo Fera, Susanna Villari, Roma, Edizioni di Storia e Letteratura, 2008-16.
Carlo Dionisotti, Lettere londinesi (1968-1995), a cura di Giuseppe Anceschi, Firenze, Leo S. Olschki, 2000.
Carlo Dionisotti-Giulio Einaudi [et al.], «Colloquio coi vecchi libri». Lettere editoriali (1942-1988), a cura di Roberto Cicala, Novara, Interlinea edizioni, 2012.
Carlo Dionisotti-Giovanni Pozzi, Una degna amicizia, buona per entrambi. Carteggio 1957-1997, a cura di Ottavio Besomi, Roma, Edizioni di storia e letteratura, 2013.
Vittorio Cian-Carlo Dionisotti, Carteggio, a cura di Aurelio Malandrino, Firenze, Leo S. Olschki, 2016.
Carlo Dionisotti-Giulia Gianella, Cabbages and Kings. Carteggio 1966-1995, a cura di Ottavio Besomi, Lugano, Edizioni del Cantonetto, 2017.
^ Carlo Dionisotti, Scritti sul fascismo e sulla Resistenza, a cura di a cura di Giorgio Panizza, Torino, Einaudi, 2008.
^Giornale storico della letteratura italiana : Indici. Volumi 1-100 e supplementi. (1883-1932). A cura di Carlo Dionisotti. Torino : A. Chiantore, 1948.
^Paolo Di Stefano, "Carlo Dionisotti, la passione civile del maestro in esilio", Corriere della Sera, 11 settembre 2008 [1]
^Aldo Manuzio editore: dediche, prefazioni, note ai testi. Introduzione di Carlo Dionisotti, testo latino con traduzione e note a cura di Giovanni Orlandi, Milano, Il polifilo, 1975
^Carlo Dionisotti, Aldo Manuzio umanista, Firenze, Olschki, 1960 (Estratto da Lettere italiane, Anno 12, n. 4, ott.-dic. 1960)
^Maurizio Tarantino, Carlo Dionisotti, in Enciclopedia machiavelliana, Roma 2014
^ Roberto Cicala e Mirella Ferrari, Un maestro della letteratura: Carlo Dionisotti tra storia e filologia (1908-1998), Novara, Interlinea, 2008.
^Premio letterario Viareggio-Rèpaci, su premioletterarioviareggiorepaci.it. URL consultato il 9 agosto 2019 (archiviato dall'url originale il 19 luglio 2014).
Università degli studi della Calabria, Laurea honoris causa a Carlo Dionisotti : 15 dicembre 1994. Soveria Mannelli : Rubbettino, 1995, ISBN 88-7284-444-4
Roberto Cicala e Valerio S. Rossi (a cura di), I libri di Carlo Dionisotti, con un ricordo di Maria Corti. Milano : All'insegna del pesce d'oro, 1998
Delio Cantimori, testo del 1960 pubblicato poi in Conversazioni di storia, Laterza, Bari 1967, quindi in C. Dionisotti, Chierici e laici, Interlinea, Novara 1995.
Maria Corti, L'Italia non seppe dargli una cattedra, in «La Repubblica», 23 febbraio 1998, poi col titolo Ricordo di Dionisotti, in R. Cicala, V. Rossi, I libri di Carlo Dionisotti, con un ricordo di Maria Corti. Milano, All'insegna del pesce d'oro, 1998.
Un maestro della letteratura: Carlo Dionisotti tra storia e filologia (1908-1998), a cura di R. Cicala, M. Ferrari e C. Vela, con un saggio introduttivo di M. Guglielminetti, interviste e interventi, Interlinea-Centro Novarese di Studi Letterari, Novara 2008.
Arnaldo Di Benedetto, Appunti su Carlo Dionisotti, in «Giornale storico della letteratura italiana», CLXXXVII (2010), pp. 21–38.