Pour la télévision, il contribue à quatre séries, la première américaine (1956), les deux suivantes britanniques (1962-1963), la dernière allemande (1972). En particulier, il tient le rôle-titre dans la série britannique en treize épisodes Ce sentimental M. Varela (1963).
En 1957, Carlos Thompson épouse l'actrice allemande Lilli Palmer, avec laquelle il venait de tourner dans la coproduction germano-espagnole La Dernière Escale (1956, avec Willy Birgel) et qu'il retrouvera dans la coproduction franco-germano-suisseLa Mystérieuse Madame Cheney (1961, avec Françoise Rosay), avant un film allemand sorti l'année suivante (1962).
En 1990, il se suicide dans sa ville natale de Buenos Aires, quatre ans après la mort (en 1986) de sa femme.