Après avoir appris les bases de la cuisine auprès de son père, boulanger, et d'autres maîtres cuisiniers, Carême rejoint Paris en 1805 pour travailler comme cuisinier à l'hôtel de Ville de Saint-Cloud. Il y fait la connaissance du prince Talleyrand, qui le prend sous sa protection et lui ouvre les portes de la haute société parisienne.
En 1809, Carême obtient un poste à la cour de Napoléon Ier en tant que cuisinier de l'empereur. Il reste à son service jusqu'à la chute de Napoléon en 1815, et continue à servir les rois Louis XVIII et Charles X.
Cependant, sa carrière prend un tournant important avec la publication, en 1815, de son ouvrage magistral « Le Maitre-d'Hôtel Francais ». Ce livre révolutionne la cuisine en détaillant des techniques et des recettes qui seront la base de la gastronomie française moderne.
En 1825, Carême ouvre son propre restaurant, Le Véndôme, à Paris, où il s'affirme comme un chef innovant et extravagant. Il crée notamment des menus thématiques basés sur des thèmes littéraires ou historiques.
En plus de son travail culinaire, Carême est également connu pour ses contributions à la pédagogie de la cuisine. Il est l'un des premiers à proposer une structure didactique pour l'enseignement de la cuisine et à promouvoir les idées de standardisation des recettes et de formation professionnelle pour les chefs de cuisine.
En 1832, Carême publie son dernier livre, « L'Art de la Cuisine Française au XVe Siècle », où il réfléchit à la place de la gastronomie dans l'histoire et la culture française. Il meurt un an plus tard, en 1833.
Marie-Antoine Carême a laissé une importante héritage culinaire, qui continue d'inspirer les chefs et les amoureux de la gastronomie à ce jour.