Periodista de profesión, cubrió los "Juegos Olímpicos México '68" para la Tv local. Inventó el personaje "Pírolo" con el que deleitaba a sus compañeros de trabajo y le dio el apodo de toda la vida. Finalizados los juegos, formó parte de los programas cómicos "El club de Shory" y "Bartolo" donde hacía todo tipo de personajes. En 1971, su amigo "Rubén Aguirre" lo invita a una fiesta en su casa, allí Villagrán infló sus cachetes e interpreto a un niño caprichoso. Aguirre le comentó a su amigo, jefe y productor "Roberto Gómez Bolaños" de el talento de Villagrán. Bolaños lo convocó para tomarle una prueba, quedó tan impresionado que de inmediato lo incluyó en su programa "Chespirito". El personaje aniñado de Villagrán encajaba perfectamente en el nuevo proyecto para Canal 8, "El chavo del 8" por lo que comenzaron a ensayar y perfeccionar el personaje, nacía "Quico". Este niño llamado Federico, de 9 años, egoísta, envidioso, malcriado, pero ocasionalmente de buen corazón se ganó el centro de la escena a fuerza del talento de Villagrán. Carlos tuvo un romance con Florinda Meza, al enterarse Bolaños, los reprendió duramente, no quería que los personajes de madre e hijo se mostraran juntos en su vida privada. Rota esta relación fue el mismo Bolaños el que se relacionó con Florinda Meza, cuando formalizaron su relación, Carlos se enfureció, se sentía traicionado por ambos. El fenómeno "Quico" se le fue de las manos a Bolaños, llegando a ser mas popular que su personaje de "El chavo", esto generó celos profesionales. Cuando la esposa de Bolaños, Florinda Meza tomó las riendas creativas del programa, la situación se hizo insostenible y Villagrán abandonó el programa. Ramón Valdez lo siguió pocos meses después, esto acabó definitivamente con la columna vertebral de "El chavo". Bolaños respondió con un juicio a Villagrán por los derechos del personaje, aduciendo que si bien el personaje era una creación de Carlos, fueron sus guiones y su dirección los que lo hicieron famoso, de este modo quedaba bloqueado su nombre "Quico". Villagrán llegó a un arreglo para seguir utilizando su personaje, con otro nombre pero renunciando a los derechos de los programas grabados de la serie. Cambió el nombre a "Kiko" y recorrió toda América con su circo o participando en programas de las televisiones locales. Su carrera se desarrolló principalmente en Venezuela y Argentina, donde no se reconocían los derechos de autor de Bolaños. En una presentación de 2013 en Brasil anunció que abandonaba el personaje de "Quico", con estas palabras; "-Tengo 69 años y voy a dejar de competir con mi peor enemigo, ese Quico que aparece joven todos los días en televisión, el no envejece y encima no le simpatizo."