Seine Karriere als Schauspieler begann Lieffen 1945 an den Städtischen Bühnen in Freiburg, wo er für zwei Jahre engagiert wurde. Spätere Stationen seiner Theaterlaufbahn waren das Hessische Staatstheater Wiesbaden, die Städtischen Bühnen in Frankfurt a.M. und ab 1975 die Münchner Kammerspiele.
Zum Film kam Karl Lieffen bereits 1949 und gab sein Leinwanddebüt unter der Regie von Karl-Heinz Stroux mit einer kleinen Nebenrolle in "Begegnung mit Werther"; ab Mitte der 50er Jahre war er dann regelmäßiger im Film vertreten und spielte meist zwielichtige Typen und Bösewichte, aber auch Comic-Helden, wie 1958 mit seiner ersten und einzigen Titelrolle als Meisterdetektiv Nick Knatterton in "Nick Knattertons Abenteuer". Drei Jahre später holte ihn Billy Wilder für seinen Kultfilm "Eins, zwei, drei" vor die Kamera; herrlich Lieffen in seiner Rolle des ewig und drei Tage salutierenden Fahrers Fritz, neben James Cagney, Lieselotte Pulver und Horst Buchholz. Zuletzt war der Schauspieler 1995 als Budelmeier in "Rennschwein Rudi Rüssel" und ein Jahr später als Großvater Gustav in "Rohe Ostern" im Kino zu sehen.

Auf dem Bildschirm war Lieffen ab Anfang der 60er Jahre regelmäßig präsent, so agierte er unter anderem zwischen 1967 und 1973 als Inspektor Janot in der 22 Folgen umfassenden ZDF-Krimireihe "Dem Täter auf der Spur". 1975 stand er eindrucksvoll als Vater Karl Kempowski für "Tadellöser & Wolff", der TV-Verfilmung von Walter Kempowskis gleichnamigen Roman, vor der Kamera. Ein Jahr zuvor hatte er seine Erinnerungen unter dem heute vergriffenen Buchtitel "Was fällt ihnen ein, Lieffen!" herausgebracht.
1991 wurde dem vielbeschäftigten Schauspieler, der in mehr als 200 Kino- und Fernsehproduktionen mitwirkte, der Titel eines bayerischen Staatsschauspielers verliehen.
  
Karl Lieffen verstarb am 13. Januar 1999 in Starnberg an einem Gehirntumor.