Nato a Milano, figlio di Melchiorre, un orefice, e di Maria Antonia Sangiorgio, il piccolo Carlo trascorse gran parte della sua infanzia dividendosi tra Milano e soggiorni a Casorate. Fu proprio durante questi soggiorni che, approfittando della biblioteca di famiglia, si appassionò alla lettura, soprattutto dei classici. Intraprese gli studi nei seminari di Lecco  e Monza, per portarlo alla carriera ecclesiastica,  all'età di diciassette anni abbandonò e  continuò la sua formazione presso il Sant'Alessandro di Milano e in seguito al liceo   dove si diplomò nel 1820.  Di non secondaria importanza per il percorso formativo degli interessi di Cattaneo, furono la frequentazione assidua della Biblioteca Ambrosiana, grazie alla sua parentela materna con il prefetto Pietro Cighera, e della biblioteca personale dello zio paterno Antonio Cattaneo, farmacista e studioso di chimica. Nel dicembre del 1820, la Congregazione Municipale di Milano lo assunse come insegnante di grammatica latina e poi di scienze umane nel ginnasio comunale di Santa Marta dove restò per ben quindici anni. Nel 1824 si laureò in Giurisprudenza presso l'Università di Pavia con il massimo dei voti. Risale al 1822 la sua prima pubblicazione data alla stampa e apparsa sulla Antologia, si tratta di una recensione all'Assunto primo della scienza del diritto naturale di Romagnosi. Tra il 1824 ed il 1826 diede alla pubblicazione le sue traduzioni dal tedesco di opere divulgative di carattere storico e geografico. Nel 1825 muore il padre e suo fratello maggiore Filippo, il primogenito, gli succede nel negozio di oreficeria. In questo stesso anno Cattaneo conosce Anna Woodcock, una giovane anglosassone con la quale inizierà ad allacciare una relazione sempre più profonda. Iniziarono le cinque giornate di Milano. Cattaneo rifiutò l'intervento piemontese, perché considerava il Piemonte meno sviluppato della Lombardia e lontano dall'essere democratico. Dopo una serie di moti popolari, il 9 febbraio 1849 viene proclamata la Repubblica Romana, guidata da un triumvirato costituito da Giuseppe Mazzini, Aurelio Saffi e Carlo Armellini. In seguito ai moti del 1848-1849 il Cattaneo riparò in Svizzera e si accasò definitivamente a Castagnola  presso Lugano. Fu uno dei fondatori e il primo Rettore del Liceo di Lugano, Morì sempre a Lugano, e pur essendo più volte eletto in Italia come deputato del Parlamento dell'Italia unificata, rifiutò sempre di recarsi all’assemblea legislativa per non giurare fedeltà ai Savoia. Il suo corpo giace nel Famedio del Cimitero Monumentale di Milano . Per Cattaneo scienza e giustizia devono guidare il progresso della società, tramite esse l'uomo ha compreso l'assoluto valore della libertà di pensiero; il progresso umano non deve essere individuale ma collettivo, attraverso un continuo confronto con gli altri. Cattaneo fu un deciso repubblicano e una volta eletto addirittura rinunciò ad entrare in parlamento perché rifiutava di giurare dinnanzi all'autorità del Re sabaudo. Oggi Cattaneo viene richiamato quale iniziatore della corrente di pensiero federalista in Italia.