Pena mengawali karier kepelatihannya bersama tim CF Lorca Deportiva, UCAM Murcia CF dan tim junior Albacete. Kemudian pada April 2022, ia diangkat menjadi manajer klub India, FC Goa.

Lalu pada Juni 2023, Pena menandatangani kontrak sebagai pelatih kepala baru Ratchaburi FC di Liga Thailand. Setahun berselang, ia pindah ke Indonesia untuk membesut Persija Jakarta.

Sebagai pemain profesional, Carlos pernah memperkuat tim seperti Barcelona C, Barcelona B, Albacete, Real Valladolid dan Getafe.