Carlos Peña Garay estudió Química y Física Teórica en la Universidad de València (UVEG), donde se doctoró en 2002 tras realizar su tesis doctoral en el Instituto de Física Corpuscular (CSIC-UVEG, Paterna) trabajando en la física de oscilaciones de neutrinos. Durante su tesis doctoral contribuyó a la resolución del problema de los neutrinos solares, que implicó el descubrimiento de la conversión de sabor en los neutrinos debido a su diferencia de masa.
En 2002, se trasladó al Instituto de Estudios Avanzados (IAS) en Princeton (NJ), donde, junto a colaboradores, lideró la hoja de ruta de la investigación en neutrinos solares y el modelo estándar del Sol. Amplió sus intereses hacia la astrofísica de neutrinos de alta energía, la búsqueda de materia oscura y la desintegración doble beta sin neutrinos. Regresó en 2006 al Instituto de Física Corpuscular (IFIC) del CSIC y se trasladó, a partir del 2018, al Laboratorio Subterráneo de Canfranc, donde diversificó y amplió su interés científico en física de astropartículas y biología.
Sus principales contribuciones son el estudio del impacto de los neutrinos en la evolución cosmológica de la estructura a gran escala, la co-invención de nuevos experimentos de búsqueda de materia oscura, la coordinación de la contribución española a la construcción del experimento Hyper-Kamiokande, y la creación de la plataforma de biología en el LSC donde realiza nuevos experimentos que exploran el impacto de la reducción de la radiación ambiental en la bioquímica celular.
Carlos Peña Garay preside el Consorcio Europeo de Física de Astropartículas (APPEC), involucrado en la preparación del plan estratégico europeo de física de astropartículas 2027-2036 y lidera las actividades integradas de laboratorios subterráneos europeos en biología. Carlos Peña ha publicado más de 100 trabajos originales en revistas internacionales que han acumulado más de 10.000 citas (Google Scholar, 2025). Ha participado en/organizado decenas de congresos en los últimos cinco años. Entre otros, ha recibido los premios "Investigador Novel en Física Teórica" (2002) de la RSEF y "Long Term Member" (2004) del IAS.
