Da sein älterer Bruder dem Vater als Herzog Friedrich IV. von Holstein-Gottorf folgte, wurde Christian August aufgrund der Besonderheit der seit dem Westfälischen Frieden bestehenden Sekundogenitur des Hauses Schleswig-Holstein-Gottorf Fürstbischof von Lübeck mit Residenz im Eutiner Schloss. Nach dem Tod seines Vorgängers, Fürstbischof August Friedrich von Schleswig-Holstein-Gottorf, kam es allerdings zu einer militärischen Auseinandersetzung um die Nachfolge, denn bereits 1700 war infolge des Friedens von Traventhal im Domkapitel eine doppelte Wahl abgehalten worden. Die Auseinandersetzung gipfelte zu Weihnachten 1705 in einer Belagerung und Besetzung von Schloss Eutin durch die Dänen. Dabei wurde der dänische General Hartwig von Passow tödlich verletzt. Der Koadjutor der dänischen Partei, Prinz Carl von Dänemark (* 26. Oktober 1680; † 8. August 1729), ein jüngerer Bruder des dänischen Königs Friedrich IV., wurde durch diplomatisches Eingreifen der englischen Königin Anne sowie der Generalstaaten und nach Zusicherung einer Rente zur Aufgabe seines Anspruches gebracht, so dass Christian August die Nachfolge antreten konnte. Im Januar 1707 ließ Christian August seinen wenige Wochen alten Sohn Karl August zum Koadjutor wählten, aber erst nach Abschluss der Altranstädter Konvention wurde er 1709 vom Kaiser mit dem Hochstift Lübeck belehnt.