Après des études à l'École centrale de Lille, Garnier commence sa carrière d'architecte en travaillant dans l'atelier de l'architecte Jacques-Ignace Hittorff. En 1852, il se rend à Paris pour poursuivre ses études à l'École des Beaux-Arts. Il y est l'élève d'Henri Labrouste et de Louis Visconti.
En 1867, Garnier remporte le concours pour la construction du Palais Garnier, une commande controversée à l'époque qui lui vaudra plus tard d'être surnommé "l'architecte du siècle". Le palais est construit entre 1867 et 1875. Son architecture est caractérisée par un mélange de style baroque, rococo et égyptien, ce qui en fait l'un des exemples les plus remarquables d'architecture éclectique du XIXe siècle.
En 1873, Garnier est nommé inspecteur général des Monuments historiques et, en 1874, il devient membre de l'Académie des Beaux-Arts.
Outre le Palais Garnier, Charles Garnier a également conçu de nombreux autres bâtiments remarquables comme l'hôtel de ville d'Oran en Algérie, la basilique Saint-Denis, la chapelle Notre-Dame du Mont-Carmel à Lourdes et la gare d'Orsay à Paris.
Charles Garnier est également un graveur talentueux et a illustré plusieurs ouvrages de théâtre et d'histoire de l'art, notamment "La tragédie latine" de François Guizot et les dessins pour la pièce "Hamlet" de Jean-François Ducis.
Malgré son statut de célébrité, Charles Garnier a également connu des moments difficiles de sa vie, notamment la perte d'un fils et un neveu lors du siège de Metz en 1870. Sa carrière est également interrompue pendant quatre ans à la suite de soupçons de corruption dans la construction du Palais Garnier.
Charles Garnier est mort le 9 décembre 1898, à Paris, et est inhumé au cimetière du Père-Lachaise. Son œuvre reste une référence majeure pour les générations d'architectes français qui ont suivi.