Viens no pirmajiem pētniekiem, kuri ieguva imūnserumu pret Sibīrijas mēri (liesas sērgu) un tuberkulīnu (1891), maleīna atklājējs (1891). Krievijas Eksperimentālās medicīnas institūta (Институт экспериментальной медицины) līdzdibinātājs (1890).

K. Helmanis piedzima Dobeles apriņķa Kalnamuižas (no 1925. gada – Tērvetes) pagasta Lejas Čimās lauksaimnieka Jāņa Helmaņa un viņa sievas Trīnes ģimenē. Lejas Čimu mājas tika nojauktas 1971. gadā saistībā ar meliorācijas darbiem (kā necieņu pret pagātnes kultūras mantojumu to vērtējis dzejnieks Imants Ziedonis savā darbā “Kurzemīte”, 1974).

No 1859. līdz 1862. gadam K. Helmanis mācījās Kalnamuižas pagasta skolā, pēc tam Jelgavas reālskolā (1862–1865). Vairākus gadus viņš strādāja, lai sakrātu līdzekļus studijām (no 08.1873.) Tērbatā, Veterinārijas institūtā (vācu Kaiserliche Veterinair-Institut zu Dorpat, igauņu Tartu veterinaariinstituut), ko pabeidza ar zelta medaļu 21.09.1877. K. Helmanis bija studentu korporācijas “Fraternitas Dorpatensis” biedrs, kā arī vecākās latviešu korporācijas “Lettonia” goda filistrs (1882). Pēc studijām K. Helmanis saņēma uzaicinājumu palikt institūta klīnikā un 12.05.1879. aizstāvēja veterinārzinātņu maģistra disertāciju par mugurkaulnieku spermatozoīdu attīstību (Über die Entwickelung der Spermatozoen der Wirbelthiere). K. Helmanis pierādīja, ka visu zīdītāju dzīvnieku spermatozoīdi attīstās vienādi.

No 25.03.1879. K. Helmanis dienēja kā veterinārārsts leibgvardes kājnieku pulkā Pēterburgā un atstāja karadienestu 01.01.1891. kolēģijas padomnieka pakāpē. Šajā laikā viņš izgudroja īpašu zirga pakavu, ko plaši lietoja Krievijas armijā.

26.07.1886. Pēterburgā, veterinārajā lazaretē, K. Helmanis ierīkoja pasaulē otro Pastēra staciju (Пастеровская станция) potēšanai pret trakumsērgu (ar trakumsērgu slimu vilku un suņu sakostiem cilvēkiem, kuriem draudēja nāve) un ziņoja par sekmīgu vakcinācijas gadījumu (Предварительное сообщение к прививке яда бешенства, “Врач”, 17.04.1886.). K. Helmanim šajā laikā izveidojās cieša sadarbība ar pasaulslaveno franču mikrobiologu Luiju Pastēru (Louis Pasteur), pie kura viņš 1886. un 1888. gadā ieradās Parīzē, arī sarakstījās. L. Pastēra vizītkarte ar K. Helmanim adresētu tekstu glabājas Paula Stradiņa Medicīnas vēstures muzejā. L. Pastēra stacijā notika arī sifilisa, baku un Sibīrijas mēra eksperimenti. 

Pēc K. Helmaņa ierosmes 08.12.1890. Pēterburgā tika nodibināta Krievijā pirmā medicīnas zinātniskā iestāde – Ķeizariskais eksperimentālās medicīnas institūts (Императорский институт экспериментальной медицины), kas sekmīgi darbojas līdz mūsdienām. K. Helmanis kļuva par institūta pirmo īsteno locekli, epizootoloģijas nodaļas priekšnieku. Institūta izveidošanai viņš ziedoja daudz laika un izdomas, jo K. Helmaņa pierakstos atrodami ne vien norādījumi par institūta nepieciešamību Krievijas galvaspilsētai, bet arī tā darbības plāna uzmetumi, laboratoriju, slimnīcas iekārtu, dezinfekcijas, sterilizācijas noteikumi un citi pieraksti.

K. Helmanis ierīkoja laboratoriju, lai pievērstos ļauno ienāšu (malleus), trakumsērgas, tuberkulozes un Sibīrijas mēra pētījumiem. Zirgu ļauno ienāšu slimība Krievijā bija plaši izplatīta; tas veterinārārstam bija bīstamākais darbs, jo šī slimība cilvēkam bija ļoti lipīga, bieži hroniska, grūti pamanāma un apdraudēja veselos dzīvniekus un cilvēkus. Nezinot par slimības izplatīšanos un inficēšanās apstākļiem, ar to nevarēja sekmīgi cīnīties. Pēc tam, kad 1882. gadā vācu zinātnieks Frīdrihs Leflers (Friedrich August Johannes Löffler) atklāja ļauno ienāšu slimības ierosinātāju (Burkholderia mallei), K. Helmanis 1884. gadā kopā ar latviešu veterinārārstu Alfrēdu Bertušu sāka pētīt šīs slimības klīniskās izpausmes un terapijas iespējas. 

Turpinot ienāšu pētījumus, K. Helmanim izdevās iegūt to ekstraktu – maleīnu (malleinum) –, ko pēc analoģijas ar L. Pastēra un Roberta Koha (Heinrich Hermann Robert Koch) darbiem viņš bija paredzējis kā ārstniecības un diagnostikas līdzekli. Iecere par ārstniecību neattaisnojās, taču 1890.–1891. gadā K. Helmanis kopā ar studiju biedru Oto Kalniņu noteica maleīna diagnostiskās īpašības ienāšu gadījumā un izveidoja maleīna ražotni (О сущности маллеиновой реакции; Диагноз сапа посредством подкожного впрыскивания вытяжки из сапных бацилл, “Вестник общ. ветеринарии”, 1891, Nr. 5). 

K. Helmanis daudz strādāja pie tuberkulīna iegūšanas un izmantošanas tuberkulozes terapijai, taču viņu apsteidza vācu bakteriologs R. Kohs, kurš savu atklājumu publicēja 1890. gadā (K. Helmanis – 1892. gadā).

Maleīna iegūšana un diagnostisko īpašību noskaidrošana, ko veica latviešu mikrobiologu grupa K. Helmaņa vadībā Pēterburgā un Tērbatā, zinātnes vēsturē bija ļoti traģiska un pašaizliedzīga, jo eksperimentu gaitā inficējās un gāja bojā trīs latviešu zinātnieki: Roberts Vāgners, A. Bertušs un O. Kalniņš. Maleīna atklāšana ir viens no lielākajiem latviešu zinātnieku atklājumiem, kas iegājis pasaules zinātnes vēsturē. 

K. Helmanis nomira 43 gadu vecumā Pēterburgā. Eksperimentālās medicīnas institūtā viņš paspēja izdarīt ļoti daudz un pašu būtiskāko zinātnes jomā – ieviesa integrētu pieeju epidemioloģijas, mikrobioloģijas un imunoloģijas aktuālo problēmu izpētē ar pastāvīgu saikni starp teorētisko pētniecību un ikdienas problēmu risināšanu. 

K. Helmanis apbedīts Tērvetes Kalnamuižas kapsētā. Uz to kopš 1973. gada ved Helmaņa taka (uz takas rādītāja kokgriezumā ir K. Helmaņa vārdi: “Mūsu pienākums ir sadarboties zemes sagatavošanā nākotnei, lai kļūtu nākotnei kaut kādi noderīgi.”). Kapa pieminekli K. Helmanim uzlika 12.1937., bet 26.05.1938. to svinīgi atklāja Latvijas Veterinārārstu biedrība (restaurēts 2018. gadā). 

Helmaņa ielas ir Jelgavā (no 15.11.1985., pārdēvējot Kultūras ielu), kur atrodas Latvijas Biozinātņu un tehnoloģiju universitātes (LBTU) Veterinārmedicīnas fakultāte, un Siguldā, bet K. Helmaņa pieminekļi – no 1977. gada Rīgā (tēlnieks Kārlis Dane; Paula Stradiņa Medicīnas vēstures muzeja dārzā) un no 1989. gada Jelgavā (piemiņas akmens ar bronzas bareljefu pie LBTU Veterinārmedicīnas fakultātes mācību korpusa). K. Helmaņa ieguldījums zinātnē atspoguļots Eksperimentālās medicīnas institūta muzeja ekspozīcijā Sanktpēterburgā (Krievijā).

1934. gadā Rīgā A. Gulbja apgādā 2000 eksemplāros tika izdota mikrobiologa Dr. med. Egona Dārziņa grāmata “Zemmers, Kalniņš, Helmanis” par pirmajiem latviešu mikrobiologiem. Tā saņēma Krišjāņa Barona prēmiju (1933) un atkārtoti izdota 1993. gadā. 

K. Helmanis apbalvots ar Krievijas IV šķiras Sv. Vladimira ordeni un III šķiras Sv. Staņislava ordeni.