После смерти матери в 1870 г. Бенц решил оставить работу и основать на паях со своим знакомым мастерскую, в которой можно было бы проводить эксперименты. Они купили небольшой участок земли и начали зарабатывать на жизнь изготовлением металлических запасных частей. Партнер Бенца противился идее экспериментирования в области разработки двигателей, и Карлу пришлось расстаться со своими мечтами. Бенц почти смирился с этим. Однако вскоре он познакомился с Бертой Рингер и женился на ней. Благодаря наследству жены ему удалось выкупить долю своего партнера, и он стал единоличным владельцем мастерской. Теперь Бенц все свое время мог посвятить разработке нового двигателя. К сожалению, он не обращал внимания на финансовое состояние своего предприятия, и оно вскоре обанкротилось (1877). К этому времени испытатель разработал новый двигатель внутреннего сгорания. Возникла острая необходимость в начале производства модели-прототипа, но банки отказали ему в кредитах. Несмотря на все трудности, Бенцу удалось создать образец двухтактового двигателя. Однако он не смог вывести его на рынок, так как одна английская фирма уже разработала и запатентовала аналогичное устройство, что сделало для него невозможным получение заключения об авторстве. Патентное бюро все же выдало патент на топливную систему, что в конце концов позволило ему начать производство ряда моделей двигателя. Он основал новую фирму по изготовлению небольших двухтактных двигателей, а в 1885 г. вместе со своими инвесторами – еще одну. Днем он работал в своих мастерских, а по ночам экспериментировал в сарае возле дома. Упорство, инициатива и целеустремленность позволили Бенцу преодолеть все трудности. Результатом было создание трехколесного автомобиля с четырехтактным двигателем (первый автомобиль «Benz» хранится в Мюнхене). Бенц сам спроектировал и разработал все узлы своего автомобиля и сам пришел к решению многих технических проблем. В январе 1886 г. изобретатель получил патент на свой новый автомобиль, но он не вызвал большого интереса среди покупателей (хотя двигатели Бенца пользовались большим спросом на рынке, особенно в Германии). Их также выпускали по лицензии во Франции на фирме «Panhard et Levassor» (Панар и Левассор).
В 1889 г. представитель Бенца во Франции организовал показ его автомобиля на выставке в Париже. Там же демонстрировались автомобили немецкой компании «Daimler» (Даймлер). К сожалению, выставка не принесла успеха Бенцу. Успех пришел через год, когда ряд немецких фирм проявил интерес к производству его автомобиля. Была основана новая фирма. Бенц непрерывно работал над своим новым проектом, включая тестовые пробеги автомобилей. В 1897 г. он разработал двухцилиндровый двигатель с горизонтальным расположением, известный как «контра-двигатель». Фирма «Benz» вскоре добилась признания среди покупателей благодаря высоким спортивным результатам выпускаемых ею машин. Наконец, после многих лет неудач для Карла Бенца наступил успешный период. В 1926 г. фирма «Benz» слилась с компанией «Daimler» (Даймлер), возникла фирма «Daimler – Benz», существующая и в наше время.