Родился 14 ноября 1797 г. в Форфэршейре, в Шотландии, на четвёртом году выучился читать, а на восьмом поступил в школу. Суровая школьная обстановка того времени и схоластический метод преподавания действовали удручающим образом на мальчика, и только самолюбие заставило Лайеля преодолеть трудности нелюбимых латинской и греческой грамматики и словесности. Проводя лето в деревне, он пристрастился к собиранию насекомых, определяя их по случайно попавшему в его руки атласу, что способствовало развитию в нём привычки наблюдать и классифицировать. В 1816 году девятнадцатилетний Чарлз Лайелл случайно обнаружил Введение в геологию Бейквелла в библиотеке своего отца. Эта книга впоследствии стала настольной для будущего учёного.
Поступив в Оксфордский университет, Лайель продолжал изучать классиков, но не оставлял и занятий естественными науками. Здесь, на лекциях Бёкланда, он подробнее познакомился с геологией и сошёлся со многими выдающимися натуралистами. Поездка в 1818 г. по Франции, Италии и Швейцарии, во время которой юноша прилежно знакомился с коллекциями в музеях и наблюдал такие грандиозные явления природы, как ледники и вулканы, значительно расширила его научный кругозор. Тем не менее в 1819 г. Лайель, получив степень бакалавра, переехал в Лондон, где занялся специально юридическими науками. Ещё несколько лет он не покидал юридической деятельности, но совершал и ежегодные геологические экскурсии по Англии и Шотландии, и поездки за границу.
В 1825 г. появились его первые печатные труды, посвящённые описанию новейших геологических образований некоторых местностей Англии и Шотландии. Лайель обратил внимание на печальное состояние геологии того времени. Из гипотезы катастроф Кювье вытекало заключение, что изучение современных геологических деятелей не может оказать никакой помощи для восстановления истории Земли в давно прошедшие времена, и для объяснения наблюдавшихся фактов приходилось прибегать к совершенно произвольным и фантастическим предположениям. Прилежно занимаясь изучением новейших и современных геологических отложений, Лайель скоро пришёл к заключению, что взгляд Кювье на различие между размерами геологической деятельности в минувшие эпохи и в современную не соответствует действительности.
Молодой, малоизвестный ученый, в глазах большинства дилетант, не устрашился вступить в борьбу с величайшими авторитетами своего времени. Только после нескольких лет упорной работы, в 1830-33 г, появился (выпусками) классический труд Лайеля «Основные начала геологии» («Principles of Geology»), составивший эру в науке. В этом сочинении Лайель при помощи громадной эрудиции, точного изложения фактов и гениально-остроумного объяснения их бесповоротно доказал, что «с древнейших времен до наших дней не действовали никакие другие причины, кроме тех, которые ныне действуют, что действие их всегда проявлялось с той же энергией, которую они проявляют ныне» и что, следовательно, изучение современных явлений может дать надежный ключ к разбору более древних геологических памятников.
По недостатку наблюдений далеко не все эпохи истории Земли могли быть воссозданы в то время, труды в этом направлении не закончены и теперь, но приложение Лайелем нового метода к изучению и классификации третичных отложений дало такие блестящие результаты, что громадное научное значение метода поставлено было вне сомнений. Смелые идеи Лайеля возбудили вначале ожесточенные нападки со стороны наиболее авторитетных представителей старых воззрений, но уже в 1840-х годах в Англии, а к началу 1860-х гг. во всем свете старые геологические теории отошли в область истории. В 1-м издании «Основ» был заложен прочный фундамент новой геологии, но оставалось ещё сделать очень многое, и вся научная деятельность Лайеля, закончившаяся лишь с его смертью, была посвящена изложению истории Земли на новых началах.
Окруженный почетом, признанный главой геологов своего отечества, Лайель всю жизнь остается частным человеком, уклоняется от всякой официальной должности, с большой неохотой и на короткое время принимает даже звание президента Лондонского геологического общества, не желая отнимать времени у своих научных занятий. Почти треть своей жизни Лайел провёл в поездках по Европе и Северной Америке, прерывая экскурсии лишь для обработки собранного материала. За время своей научной деятельности он напечатал свыше шестидесяти научных статей и заметок, осветивших многие частности геологии, в том числе четыре объемистых тома путешествий по Северной Америке.
В 1860-е гг. здоровье учёного начало заметно слабеть, но экскурсии и путешествия продолжались своим чередом. В 1875 г. умерла его жена, в течение 40 лет неизменная помощница в его научных трудах; потрясенный её смертью, полуслепой старик искал успокоения в занятиях любимой наукой. Семидесяти семи лет, за несколько месяцев до смерти, он предпринял поездку для изучения древних и новых изверженных пород своей родины, Форфэршейра. В последнем письме, писанном незадолго до смерти, обсуждая эту поездку, Лайель ещё раз указывает на тождество древних и новых вулканических образований, подтверждающее взгляды, разработке которых он отдал свою жизнь. Вскоре, 10 февраля 1875 г., Лайель умер и торжественно погребен в Вестминстерском аббатстве, рядом с другом своим, знаменитым астрономом Джоном Гершелем.
Крупнейшим результатом научной деятельности Лайеля остаются «Основы», разделённые им впоследствии на две отдельные книги: «Элементы геологии — история земной коры» и «Основные начала геологии — деятельность современных геологических агентов» (динамическая геология). Первая работа выдержала при жизни автора 8, а вторая — 11 изданий, из которых каждое представляет основательную переработку предшествовавшего на основании новых наблюдений, причём важнейшие из этих наблюдений проверялись лично Лайелем. В этих книгах нашли отражение две излюбленные теории Лайеля — актуализм и униформизм.
В своём труде «Основы геологии» в трёх томах (1830—1833) Лайель разработал учение о медленном и непрерывном изменении земной поверхности под влиянием постоянных геологических факторов. Он перенёс нормативные принципы биологии в геологию, построив здесь теоретическую концепцию, которая впоследствии оказала влияние на биологию. Иначе говоря, принципы высшей формы он перенёс (редуцировал) на познание низших форм. Однако Земля для Лайеля не развивается в определённом направлении, она просто изменяется случайным, бессвязным образом. Причём изменение — это у него лишь постепенные количественные изменения, без скачка, без перерывов постепенности, без качественных изменений.
До какой степени чутко следил Лайель за новыми явлениями в науке, показывает отношение его к дарвинизму и к вопросу о доисторическом человеке. Признавая большое значение взглядов Дарвина, Лайель вместе с Гукером убедил его опубликовать знаменитую работу — «Происхождение видов». Признав основательность доводов его, несмотря на свои 60 лет, Лайель всецело, хотя не без сомнений и колебаний, примкнул к учению Дарвина, отказавшись от многих воззрений, которыми руководствовался в течение всей своей научной деятельности.
Точно так же за 60 лет было Лайелю, когда он познакомился с открытыми Буше де Пертом в долине Соммы остатками «допотопного» человека (позднее его назовут неандертальцем). Несмотря на то, что эти открытия встречены были всеобщим недоверием, Лайель, убедившись на месте в достоверности их, не только поддержал Буше де Перта своим авторитетом, но, заинтересовавшись вообще вопросом о древнем человеке, объехал все интересные в этом отношении местности Западной Европы. В результате явилась последняя крупная работа Лайеля, «Древность человека», представляющая свод всех накопившихся отрывочных данных о доисторическом человеке, блестяще освещённых и заново проверенных. Работа Лайеля привлекла внимание учёных и дала стимул к дальнейшим исследованиям в этом направлении, благодаря которым возникла впоследствии отрасль науки — доисторическая археология.