Окончил медицинский институт в Рио-де-Жанейро (1902), специализировался в изучении малярии. По завершении образования поступил на работу в портовую администрацию города Сантус для борьбы с малярией у портовых рабочих и добился в этом направлении существенных успехов, направив свои усилия на профилактику заболеваемости (путём борьбы с переносчиками заболевания — насекомыми: Шагас предложил программу опрыскивания инсектицидами районов проживания рабочих; эта методика получила в Бразилии широкое распространение).

В 1906 г. Шагас перешёл на работу в научно-медицинский Институт Освальдо Круса, созданный другим известным бразильским медиком Освальдо Крусом. Институт командировал его для борьбы с малярией в район реки Сан-Франсиску, где Шагас провёл два года. Здесь Шагас обратил внимание на кровососущего жука Triatoma из семейства Reduviidae и в 1909 г. обнаружил, что этот жук является носителем ранее неизвестного простейшего-паразита из рода Trypanosoma; Шагас назвал его Trypanosoma cruzi в честь Освальдо Круса. Далее Шагас выяснил, что жук передаёт трипаносому укушенному им человеку. Обследовав обезьян, заражённых трипаносомой, Шагас выявил симптомы вызываемых этим простейшим заболевания, и обнаружил их же у местного населения. В результате всех своих исследований Шагас единолично полностью описал новонайденную инфекцию (её возбудителя, переносчика, способ заражения, клинические проявления и эпидемиологию), — уникальный случай в истории медицины. Попутно Шагас описал также новый грибок, обнаруженный в лёгких у больных, — первоначально приняв его за особую форму жизненного цикла трипаносомы; этот грибок был описан годом позже, в 1910 г., другим бразильским специалистом Антонио Карини как отдельная форма жизни и стал первым исследованным представителем рода Pneumocystis, значительно позже попавшего в поле зрения многих специалистов в связи с тем, что другой вид этого грибка вызывает пневмоцистную пневмонию.

Открытие Шагаса получило широкое признание. Он был избран в бразильскую Национальную медицинскую академию, дважды номинирован на Нобелевскую премию по медицине. В 1917—1934 гг. Шагас возглавлял Институт Освальдо Круса.

Именем Шагаса был назван муниципалитет в штате Минас-Жерайс.

Сын Шагаса — также выдающийся медик, Карлус Шагас Филью.