Débuts à l'Atlético Junior (2006-2011)

En 2006, il est intégré au groupe professionnel de l'Atlético Junior mais ne dispose pas d'un temps de jeu suffisant. Il est alors prêté au FC Barranquilla, un club de deuxième division. Il joue régulièrement, et est ensuite prêté durant un an au Minervén FC, en deuxième division vénézuélienne. Il est le troisième meilleur buteur de la saison, et permet à son club de remporter le titre du championnat de clôture, et ainsi rejoindre le niveau supérieur. Carlos Bacca retourne encore une saison en prêt à Barranquilla, et termine meilleur buteur de deuxième division. Il est alors rappelé par Junior.

Pour sa première saison en tant que titulaire à l'Atlético Junior, El Peluca inscrit de nombreux buts importants, permettant à son équipe d'atteindre les demi-finales de la Coupe de Colombie 2009, dont il est meilleur buteur avec 11 réalisations. Il remporte son premier titre de champion lors du tournoi d'ouverture 2010, dont il est également le meilleur buteur. Le 11 août 2010, il honore sa première apparition en équipe nationale^[3] lors d'un match amical en Bolivie. L'année suivante, il remporte un nouveau titre avec le tournoi de clôture 2011, où il termine à nouveau meilleur buteur et reçoit le Soulier d'or de meilleur joueur du championnat.

Arrivée en Europe au FC Bruges (2012-2013)

Carlos Bacca à l'entraînement avec le FC Bruges en janvier 2013.

Plusieurs clubs européens, dont notamment le Lokomotiv Moscou ou le Chievo Vérone s'intéressent à lui, mais aucun accord n'est trouvé avec son club. Finalement, le FC Bruges parvient à recruter Carlos Bacca durant le mercato de janvier 2012^[4], et lui fait signer un contrat de trois ans et demi. Il dispute son premier match en Belgique le 21 janvier 2012 face au FC Malines, mais ne peut empêcher la défaite de son équipe. Souvent remplaçant, il inscrit son premier but sous le maillot brugeois face à KAA La Gantoise le 15 avril, donnant ainsi la victoire à son équipe.

En début de saison 2012-2013, il n'est pas titulaire, et est même amené à se rendre dans les tribunes, bien qu'il ait participé à la préparation estivale du Club. Mais le départ de Joseph Akpala, libère une place qu'il saisit aux côtés de Mohammed Tchité. Et il profita à 100 % de la confiance que lui donne Georges Leekens. Pesant énormément sur le jeu brugeois, il enchaîne les buts et les passes décisives tant en championnat qu'en coupe d'Europe. Il suscite déjà l'intérêt des clubs ibères, dont l'Espanyol Barcelone, et est rappelé en sélection colombienne. En janvier 2013, se sentant floué, il demande son transfert. Finalement il a resigné un nouveau contrat le liant au Club jusqu'en 2016.

Explosion au Séville FC (2013-2015)

Le 10 juillet 2013, il signe un contrat de quatre ans au Séville FC pour un montant estimé à 7 millions d'euros^[5]. C'est le record absolu de Bruges pour un transfert sortant. La clause libératoire dans son nouveau contrat s'élève à 30 millions d'euros. Carlos Bacca affirme qu'il "réalise un rêve" sur le site du club belge^[6].

Il réalise une pré-saison satisfaisante où Séville recrute de nombreux joueurs tels que Kevin Gameiro. Le 26 juillet 2013, Bacca inscrit son premier but pour Séville lors d'une victoire 3-1 contre Barcelona SC en Coupe EuroAméricaine^[7]. Le 1^er août, au troisième tour de qualification de la Ligue Europa, il marque face au FK Mladost.

Le Colombien connait ses débuts en Liga le 18 août mais ne peut empêcher la défaite contre l'Atlético Madrid (2-1). Le 25 septembre, il ouvre son compteur en championnat en réalisant un doublé contre le Rayo Vallecano. Près d'un mois plus tard, Bacca inscrit son troisième but de la saison lors du nul 2-2 face au Real Valladolid.

Le 26 mars 2014, Bacca se fait remarquer durant l’inattendue victoire de Séville contre le Real Madrid, alors premier du championnat, en marquant deux buts qui offrent la victoire aux Andalous (2-1)^[8]. Le 10 avril, en quart de finale retour de Ligue Europa, il participe à la large victoire 4-1 des Espagnols en inscrivant le troisième but contre Porto qui assure une place en demi finale de la compétition malgré la défaite 1-0 au match aller. Deux semaines plus tard, il inscrit le second but en demi-finale aller contre Valence. Le 14 mai, en finale de la Ligue Europa qui se joue au Juventus Stadium, il marque lors des tirs au but et son coéquipier Gameiro donne la victoire à Séville en inscrivant le but de la victoire contre les Portugais du Benfica^[9],[10]. Séville finit 5^e du championnat et Bacca termine la saison avec 21 buts marqués en 52 matches.

Bacca est élu par journal Marca comme la meilleure signature de la saison 2013-2014 en Liga. Au prix de la Liga, il est élu meilleur joueur de la saison des Amériques, devançant le milieu madrilène Ángel Di María et l'attaquant barcelonais Neymar^[11].

Lors de la saison 2014-2015, Bacca marque son premier but de la saison contre les Catalans du RCD Espanyol. La journée suivante, le colombien réalise un doublé face au promue Cordoue. Il se classe rapidement en tête du classement des buteurs de Liga, devant l'Argentin Lionel Messi. Fin septembre 2014, l'attaquant prolonge son contrat de quatre ans avec le club andalou, jusqu'en 2018^[12]. En championnat, il poursuit sur sa lancée en marquant et délivrant une passe décisive contre La Corogne. En janvier 2015, Bacca marque contre Malaga lors de la 19^e journée de championnat. Fin mai, il totalise 20 buts en championnat et finit cinquième au classement du Pichichi. En Ligue Europa, il porte Séville jusqu'en finale, marquant à sept reprises en 15 matches. En demi finale, il ouvre le score contre la Fiorentina durant une victoire 2-0. Le 27 mai, en finale de la compétition, il offre le titre aux siens en réalisant un doublé contre le FK Dnipro (3-2). Bacca est logiquement nommé « Homme du match » et soulève le trophée pour la seconde année de suite^[13]. Il termine sa saison avec 28 buts, égalant son total de buts sur une saison avec Bruges.

AC Milan (depuis 2015)

Le 2 juillet 2015, il signe à l'AC Milan un contrat de cinq ans. Le montant du transfert est de 30 millions d'euros^[14]. Il marque son premier but officiel pour l'AC Milan face à Empoli le 28 août 2015, à la 16^e minute, sur une passe décisive de Luiz Adriano.

Il a fait ses débuts le 25 juillet 2015 lors d'un match d'International Champions Cup contre l'Inter Milan (victoire 1-0, grâce à une superbe reprise de volée de Philippe Mexès). Son premier but officiel est venu le 29 août 2015 pour le second match de Serie A lors de la victoire 2-1 sur l'Empoli FC.

Le 16 octobre 2015, dans une interview accordée à Milan Channel, Carlo Ancelotti, l'entraîneur milanais entre 2001 et 2009 et ancien joueur du club entre 1987 et 1992 parle en ces termes de l'attaquant colombien du Milan AC : « Le Milan doit trouver son identité de jeu. Il possède des joueurs très importants comme Carlos Bacca, un grand attaquant qui a fait de très bonnes choses en Espagne . C'est un attaquant très dangereux que j'aime vraiment. Il ressemble à Filippo Inzaghi. Il est très bon quand il attaque avec des mouvements profonds derrière les défenses adverses. Je l'aime. ».

Il commence sa deuxième saison sous les couleurs milanaises le 21 août 2016 où il réalise son premier hat-trick professionnel en inscrivant les trois buts de la victoire (3-2) face au Torino^[15]. Il s'agit du dernier triplé inscrit en Serie A par un joueur de l'AC Milan et du premier depuis celui de Giampaolo Pazzini contre Bologne, le 1^er septembre 2012^[16].

Villarreal CF

Le 16 août 2017, Carlos Bacca rejoint le club espagnol de Villarreal pour un an en prêt du Milan AC, avec option d'achat qui sera levée par le club à l'issue de la saison. Il remporte la Ligue Europa en 2021.