Flammarion a été formé à la faculté de droit de Poitiers, mais son intérêt pour l'astronomie l'a conduit à abandonner la carrière juridique pour devenir astronome amateur. Il s'est installé à Paris et s'est fait connaître par ses publications populaires sur la science astronomique.
Flammarion a été le premier à utiliser le terme "atmosphère de Vénus" dans un article publié en 1879. Il a également proposé que les étoiles de type Wolf-Rayet devraient être considérées comme des étoiles variables, bien qu'il ne soit pas reconnu pour sa proposition avant 1936.
En plus de ses travaux scientifiques, Flammarion est connu pour avoir écrit plusieurs livres populaires sur l'astronomie, dont "La Pluralité des Mondes Habités" (1862), dans lequel il avance l'hypothèse que la vie peut exister sur d'autres mondes.
Flammarion a également été un défenseur de la cause spirituelle et de la pensée nouvelle, et est souvent considéré comme l'un des pères fondateurs du spiritualisme moderne en France. Il a également prétendu avoir expériences de voyages astrales et avoir communiqué avec les êtres extraterrestres.
Flammarion a été un membre actif de plusieurs sociétés savantes, y compris la Société astronomique de France, la Société française de physique et la Société d'anthropologie de Paris. Il a reçu plusieurs distinctions pour ses travaux scientifiques, y compris l'Ordre national du Mérite et l'Ordre de Léopold II de Belgique.
Charles Flammarion est décédé le 3 mai 1925 à Montigny-lès-Coupigny, à l'âge de 83 ans. Sa vie et son travail ont continué à influencer la science populaire et la culture française au-delà de sa mort.