Né à Édimbourg en Écosse, Bell a étudié la médecine à l'Université d'Édimbourg, où il obtint son diplôme de médecin en 1799. Il passa une grande partie de sa carrière professionnelle à l'hôpital Militaire Royal d'Édimbourg.
En 1802, Bell publia un article intitulé « Essai sur la structure et les fonctions du système nerveux », dans lequel il décrivait les propriétés des nerfs moteurs et présente l'hypothèse que ces nerfs sont responsables de l'innervation musculaire. Cette hypothèse était en contraste avec celle de Galvani, qui considérait que les nerfs étaient simplement des conduits pour la décharge électrique produite par la décomposition du sérum nerveux.
En 1806, Bell publia une nouvelle théorie sur la vision, dans laquelle il proposait qu'il y avait deux types de fibres dans le nerf optique : des fibres qui transmettaient les informations sur la forme et la position des objets, et des fibres qui transmettaient les informations sur la couleur. Il a également fait remarquer que les cellules nerveuses ne sont pas simplement des conduits passifs, mais ont une activité propre, ce qui est maintenant connu sous le nom de physiologie cellulaire.
En 1809, Bell publia un livre intitulé « Les structures et les fonctions du système nerveux », dans lequel il décrivait plus en détail ses recherches sur la neuroanatomie et la physiologie. Il a également détaillé son expérience clinique comme chirurgien, y compris sa pratique de l'amputation des membres pour traiter les fractures et les atteintes nerveuses.
Charles Bell est décédé en 1842 à Édimbourg. Il a été considéré comme un pionnier dans le domaine de la neuroanatomie, et ses travaux ont fait avancer notre compréhension de la fonction du système nerveux.