Carlos V aparece representado vistiendo una armadura semirromana y un manto abrochado a la derecho que deja ver la hombrera de ese mismo lado, adornada con una cabeza de león. El labio superior y parte de la parte de la barba han sido pegados. También presenta fisuras en la parte interior del ropaje a la altura del cuello.Blanco y Lorente (1969) lo catalogaron dentro del manierismo florentino, citando la posibilidad de la autoría de Bandinelli sugerida por Keutner. Deswarte-Rosa (1990) lo relacionó con la serie de bustos de emperadores enviada por el cardenal Ricci de Montepulciano a Felipe II en 1562, en la que se incluía un busto de Carlos V, hipótesis descartada por Martín González (1991) que se basa en la diferencia del pedestal, que aquí es totalmente blanco, mientras que en el inventario se describe como de jaspe blanco leonado sobre columna de jaspe verde. En 1994 Tárraga atribuye el busto a Leoni, mientras que la cabeza, encajada a la altura del arranque del manto,  pudo ser hecha en el siglo XVIII en el taller de restauración del escultor de cámara Pedro Michel. Justifica su atribución citando los inventarios de los depósitos de la Academia de San Fernando, que al pasar al Museo recoge esta pieza como "busto colosal de Carlos V obra de Leoni, renovada la cabeza" (Serrano Fatigati, 1909). Comparando el estilo de este busto con otras obras en mármol de los Leoni no presentan ninguna similitud. Sin embargo, sí puede tratarse de alguno de los retratos de Carlos V que llegaron procedentes de Italia, con la serie de emperadores regalada a Felipe II por el cardenal Ricci, como ha sugerido Deswarte-Rosa, o de las adquiridas por el príncipe Carlos a los hermanos Bonanome. Por otra parte, durante el siglo XVIII, al encontrarse sin cabeza, ésta pudo ser repuesta por Pedro Michel, como ha afirmado Tárraga, basándose en un documento por el que se recoge que este escultor entregó en palacio a José Merlo el 3 de septiembre de 1786, ochenta y nueve piezas de escultura que había restaurado y compuesto. Si, como se sugiere aquí, el busto pertenece a una de las series enviadas desde Roma, podría servir como punto de partida para su reunificación, así como para estudiar la participación del taller de los della Porta o de los Bonanome en esta empresa, como se ha venido afirmando. De todas formas, el hecho de haberse perdido la cabeza original dificulta aún más las investigaciones, ya de por si bastante arduas.