Сен-Санс родился в семье Жака-Жозефа-Виктора Сен-Санса (1798?1835), происходившего из норманской крестьянской семьи и служившего в Министерстве внутренних дел. Отец умер, когда Камилю было три месяца, и его воспитанием занимались мать и двоюродная бабушка. Обучаться игре на фортепиано Сен-Санс начал с трёх лет, а в десять впервые выступил в зале Плейель с Третьим фортепианным концертом Бетховена и Двадцать седьмым концертом Моцарта (к последнему Сен-Санс сам написал каденцию). Концерт прошёл с большим успехом, усилившимся благодаря тому, что Сен-Санс играл программу на память (что было нехарактерно для этой эпохи). Известный педагог Камиль Стамати рекомендовал Сен-Санса композитору Пьеру Маледану, которого Сен-Санс позднее назовёт «непревзойдённым учителем».
Помимо музыки, юный Сен-Санс живо интересуется французской историей, литературой, философией, религией, древними языками и естественными науками ? математикой, астрономией и археологией. Свой интерес к ним он сохранит в течение всей своей жизни.
В 1848 Сен-Санс поступает в Парижскую консерваторию в класс органа Франсуа Бенуа, и заканчивает её с первой премией в 1851. В том же году он начинает заниматься композицией и оркестровкой у Фроманталя Галеви, а также обучаться пению и аккомпанементу. Среди его сочинений этого времени ? скерцо для камерного оркестра, симфония A-dur, хоры и романсы, ряд неоконченных работ. В конкурсе на Римскую премию 1852 года Сен-Санс терпит неудачу, однако его «Ода к святой Цецилии» получает первый приз на конкурсе Общества Святой Цецилии в Бордо в том же году. Сен-Санс принимает активное участие в издании полного собрания сочинений Глюка, пишет романсы, фортепианный квинтет и симфонию «Urbs Roma», вновь получившую премию общества Святой Цецилии в 1857.
Успех Сен-Санса позволяет ему сблизиться с крупнейшими европейскими музыкантами того времени ? Полиной Виардо, Шарлем Гуно, Джоаккино Россини, Гектором Берлиозом. Его пианистическое и композиторское мастерство высоко оценил Ференц Лист. В 1857 Сен-Санс получает место органиста в парижской церкви Мадлен и занимает этот пост в течение двадцати лет, пользуясь большим успехом во многом благодаря своим импровизациям. Он сочиняет Вторую симфонию, оперы, активно пропагандирует музыку современных композиторов. Сен-Санс был одним из первых французских музыкантов, поддерживавших творчество Вагнера и Шумана. По собственной инициативе он дирижирует концертами из музыки Листа, первым во Франции исполняя его симфонические поэмы. Этот жанр, до того неизвестный во Франции, позднее появится и в творчестве самого Сен-Санса ? «Прялка Омфалы» (1871), «Фаэтон» (1873), «Пляска смерти» (1874), «Юность Геракла» (1875). Сен-Санс также возрождает интерес к произведениям Баха и Моцарта, открывает для публики практически неизвестного до того во Франции Генделя.
К началу 1860-х годов Сен-Санс уже широко известен как композитор и пианист-виртуоз. Его сочинения получают премии на престижных композиторских конкурсах (тем не менее, Римскую премию, на которую Сен-Санс повторно номинировался в 1863, ему так и не присудили). Сен-Санс с успехом исполняет во Франции и за границей свой Первый фортепианный концерт. С 1861 по 1865 он преподаёт в Школе Нидермейера (единственный период, когда Сен-Санс официально занимался преподаванием), где среди его учеников были Габриэль Форе, Андре Мессаже, Эжен Жигу. В 1871 он совместно с Роменом Бюссином основывает Национальное музыкальное общество, ставящее своей задачей развитие современной французской музыки и исполнение сочинений ныне живущих композиторов. В общество в разное время входили Форе, Франк, Лало, в рамках его концертов были впервые исполнены многие сочинения самого Сен-Санса, а также Шабрие, Дебюсси, Дюка и Равеля.
В 1870-х годах Сен-Санс начинает выступать как критик. Его публикации (не только на музыкальные темы), написанные живым, красочным языком, отмеченные мастерством ведения полемики с оппонентами (среди которых был, в частности, Венсан д’Энди), пользовались у читателей большой популярностью. После посещения Байрёйтского фестиваля в 1876 году Сен-Санс написал семь обширных статей, посвящённых творчеству Вагнера.
В ноябре 1875 Сен-Санс по приглашению Русского музыкального общества посещает с концертами Санкт-Петербург, где дирижирует «Пляской смерти» и выступает как пианист. К этому времени относится знакомство Сен-Санса с Н. Рубинштейном и Чайковским.
Личная жизнь Сен-Санса складывалась не так удачно, как его музыкальная карьера. В 1875 году он женился на девятнадцатилетней Мари-Лор Трюффо, несмотря на несогласие своей матери. У них родилось два сына, но оба они погибли в раннем возрасте: один выпал из окна, другой умер от болезни. В 1881 Сен-Санс покинул свою жену (официальный развод был оформлен несколько позже), и они больше никогда не виделись.
В 1877 была поставлена опера Сен-Санса «Серебряный колокольчик», посвящённая меценату Альберу Либону, выделившему Сен-Сансу сто тысяч франков, чтобы тот мог полностью посвятить себя композиции. Вскоре Либон умер, и Сен-Санс написал Реквием в его память, впервые исполненный в 1878. На рубеже 1870?80-х годов Сен-Санс продолжает работать над новыми сочинениями, среди которых наибольшую известность получила опера «Генрих VIII». В 1881 его избирают в Академию изящных искусств, три года спустя он становится офицером Ордена Почётного легиона.
В 1886 Сен-Санс порывает с Национальным музыкальным обществом, после того как в их концертах было решено исполнять не только французскую, но и зарубежную музыку. После смерти матери в 1888 году Сен-Санс отправляется в долгий концертный тур, посещая Алжир, Египет, Азию, Южную Америку, а вернувшись в 1890 во Францию, поселяется в Дьеппе, где вскоре будет открыт его музей. В это время он продолжает сочинять музыку и писать статьи.
К концу XIX века популярность Сен-Санса во Франции идёт на убыль, однако в Англии и США его продолжают считать одним из величайших французских композиторов-современников. Ещё в 1871 году состоялись первые концерты Сен-Санса в Лондоне, он играл в присутствии королевы Виктории, изучал рукописи Генделя, хранившиеся в библиотеке Букингемского дворца. По заказу Лондонского филармонического общества в 1886 он создал одно из самых известных своих оркестровых сочинений ? Третью симфонию c-moll (также известную как «Симфония с органом») и впервые продирижировал ею в Лондоне. В 1893 Сен-Санс руководил исполнением в Лондоне своей оперы «Самсон и Далила» в форме оратории (воплощать библейский сюжет на сцене было запрещено цензурой), и в этом же году получил степень почётного доктора Кембриджского университета (одновременно с Чайковским). В 1900?1910-х годах с большим успехом проходят выступления Сен-Санса в американских городах ? Филадельфии, Чикаго, Вашингтоне, Нью-Йорке и Сан-Франциско. Сен-Санс стал одним из первых композиторов для кино ? в 1908 он написал музыку к фильму «Убийство герцога Гиза».
В последние годы жизни Сен-Санс, несмотря на почтенный возраст, много гастролировал как пианист и дирижёр во Франции и за границей. Последние его концерты состоялись в августе 1921 года. Сен-Санс умер в Алжире в возрасте 86 лет. Его тело было перенесено в Париж, где после церемонии прощания в церкви Мадлен он и был похоронен на кладбище Монпарнас.