عمل كمساعد لكارل رانر في جامعتي ميونيخ ومينستر، كما شهد عن قرب انعقاد المجمع الفاتيكاني الثاني في روما. في سن الثانية والثلاثين، تم تعيينه أستاذاً لللاهوت الكاثوليكي واللاهوت التمهيدي في ماينز؛ وبعد ثلاث سنوات، تولى منصب أستاذ اللاهوت واللاهوت المسكوني في فرايبورغ. في عام 1983، تم انتخاب وتعيين البروفيسور الدكتور الدكتور كارل ليمان أسقفًا لمينز، وتلقى رسامة الأسقفية في كاتدرائية مينز. في عام 1987، تم انتخابه رئيسًا لمؤتمر الأساقفة الألمان، وتمت إعادة انتخابه في عامي 1993 و1999 لمدة ست سنوات أخرى في هذا المنصب. في 28 يناير 2001، عيّن البابا يوحنا بولس الثاني الأسقف ليمان كاردينالاً. في 16 مايو 2016، يوم عيد ميلاد كارل ليمان الثمانين، قبل البابا فرانسيس طلب استقالته من منصب أسقف ماينز.

إلى جانب مناصبه الرئيسية، شارك كارل ليمان في العديد من المؤسسات واللجان الأخرى: من 1971 إلى 1975 في المجمع المشترك للأبرشيات في ألمانيا، من 1969 إلى 1983 في اللجنة المركزية للكاثوليك الألمان، ومنذ 1969 حتى اليوم في مجموعة العمل المسكونية لللاهوتيين الإنجيليين والكاثوليك، 1974 - 1984 في اللجنة اللاهوتية الدولية لدى الكرسي الرسولي في روما، ومنذ 1969 في لجنة العقيدة التابعة لمؤتمر الأساقفة الألمان.

كما كان عضوًا في مجمع الأساقفة والكنائس الشرقية، والمجلس البابوي لتعزيز الوحدة بين المسيحيين، وأكاديمية العلوم والآداب في ماينز، والأكاديمية الأوروبية للعلوم في سالزبورغ. في عام 1991 حصل على درجة الدكتوراه الفخرية من جامعة إنسبروك والجامعة الكاثوليكية في واشنطن العاصمة، وفي عام 1994 من الجامعة الكاثوليكية في ماينوث/أيرلندا، وفي عام 1997 من الأكاديمية الكاثوليكية اللاهوتية في وارسو، وفي عام 2000 من كلية اللاهوت بجامعة كارل فرانزينز في غراتس، وفي عام 2002 من جامعة أوبلن/بولندا. حصل الأسقف ليمان على وسام الاستحقاق الألماني الكبير مع نجمة وشريط كتف وخاتم الشرف من جمعية غورس. في حملة 2004/2005، حصل على وسام "Orden wider den tierischen Ernst" من جمعية كرنفال آخن.

في عام 2023، نشرت أبرشية ماينز تقريرًا أعدته خبرة خارجية يسلط الضوء بشكل نقدي على دور الكاردينال كارل ليمان في حالات الاعتداء في الكنيسة. تم نشر التقرير المسمى EVV على الموقع الإلكتروني للأبرشية ويمكن الوصول إليه عبر رابط إلى الموقع الإلكتروني للمحامي أولريش ويبر.