Nachdem er die, wie er selbst sagte, bedrückenden Schuljahre durchlaufen hatte, trat er in die Universität Berlin ein in der Absicht, Astronomie zu studieren. Da aber der Astronom mit seinen Vorlesungen erst vierzehn Tage später begann, ging er zunächst einmal, rein aus Neugierde, in die Vorlesung des Mathematikers Frobenius. Das entschied über seine mathematische Richtung. Er verzichtete dann auf die astronomische Vorlesung und wurde Zahlentheoretiker.

Nach zweijährigem Studium schrieb der junge Student eine kleine Abhandlung über diophantische Approximationen. Mit dieser Arbeit, die in einer ausführlicheren Fassung von Landau in Göttingen als Dissertation angenommen wurde, wurde Siegel sofort berühmt. Im Herbst 1920 erhielt er einen Lehrauftrag an der Universität Hamburg, 1921 habilitierte er sich in Göttingen und im Juli 1922, im Alter von 25 Jahren, wurde er als Ordinarius nach Frankfurt berufen. Dort hat er, zusammen mit Dehn und Hellinger, eine sehr fruchtbare Tätigkeit entwickelt. 

Nach 1933 brach in Frankfurt alles zusammen. Im Jahre 1938 wurde Siegel nach Göttingen berufen, aber auch hier wurde ihm bald klar, daß nichts mehr zu retten war. Im Frühjahr 1940 gelang es ihm, über Oslo nach Princeton auszureisen, wo er am Institute for Advanced Study mit offenen Armen empfangen wurde. Hier hielt er seine berühmte Vorlesung über quadratische Formen, die nachher als Buch veröffentlicht wurde.

Nach dem zweiten Weltkrieg kam Siegel zunächst als Gastprofessor, dann als Ordinarius nach Göttingen zurück, ließ sich dann mit 67 Jahren emeritieren und erreichte ein Alter von 84 Jahren.