Son père, Jean André Garnier, d'origine sarthoise, s'était installé à Paris après avoir été forgeron, puis carrossier-charron ; il y monta une entreprise de location de voitures hippomobiles. En 1824, il s'était marié à Louise Marie Félicité Colle, fille d'un capitaine de l'Empire. En 1838, il poursuit ses études scolaires puis prend des cours à l'école de dessin de la rue de l'École-de-Médecine (aujourd'hui École nationale supérieure des arts décoratifs).

Il fut pensionnaire de l'Académie de France à Rome du 17 janvier 1849 au 31 décembre 1853. Il fit de nombreux voyages en Italie d'abord, La Toscane, la Vénétie, Rome et la Sicile deux fois. En 1852 il effectua un long voyage en Grèce qui lui fournit le sujet de son envoi de quatrième année, présenté au Salon en 1853. Il visita la Grèce avec Edmond About et Constantinople avec Théophile Gautier et choisit de réaliser le relevé du temple d'Aphaïa à Égine où il insista sur la polychromie. Ce voyage de cinq ans dans la lumière méditerranéenne lui laissera un souvenir indélébile ; son goût pour la couleur et l’orient est une empreinte définitive. Son style sera caractérisé par ce goût de la polychromie et par la parfaite intégration des trois arts, l’architecture, la peinture et la sculpture.

Il rentre à Paris le 17 janvier 1854 et souffre de troubles neurasthéniques assez graves qui dureront plus d’un an. Il sera hypocondriaque le reste de sa vie, se croyant toujours atteint de maladies graves qui ne dureront que le temps de ses inquiétudes.

Son prix de Rome lui vaut quelques nominations administratives, et fait quelques projets mineurs, avant de se lancer, en 1860 dans le concours de l’Opéra de Paris.

Le 6 janvier 1858, il épouse Louise Bary, née en 1836 dans une famille d’universitaires, sœur de son ami Arthur Bary, normalien, lié à ceux que Garnier a rencontrés à l’école d’Athènes lors de son périple oriental avec Théophile Gauthier.

Le chantier est ouvert en août 1861, en novembre commencent les pieux de fondation. Le terrain est marécageux et les fondations seront difficiles. Il faudra 7 mois pour pomper la nappe phréatique. Les bâtiments voisins se construisent plus vite et Garnier a la surprise de constater qu’ils sont plus hauts que son Opéra. Il revoit sa façade et ajoute un attique pour qu’elle soit plus monumentale. Le chantier se déroule assez lentement, des difficultés de crédits, mais aussi des critiques de l’opposition. En août 1867 on découvre la façade éblouissante. Le chantier sera arrêté en 1870, par la guerre et en 1871 par la Commune. Garnier quittera Paris pour Menton à ce moment-là pour éviter la période difficile de la Commune. Sa carrière va devenir méditerranéenne. Il achète un terrain à Bordighera et y construira sa villa, Villa Garnier, l’année suivante. Le chantier reprendra après la Commune et à la suite de l’incendie de l’opéra de la rue Le Peletier en 1873 les travaux s’accélèrent, on travaille jour et nuit.

L’Opéra de Paris est inauguré le 5 janvier 1875 par le président de Mac-Mahon. Garnier a 50 ans. Il est promu officier de la Légion d’honneur.

Garnier a une vie sociale assez intense. Il est chaleureux, il s’est fait de nombreux amis, et porte de l’intérêt à tous ceux qui l’entourent. Il écrit assez régulièrement des articles dans la presse, sur l’architecture, mais aussi sur les arts en général. Il veut aussi être écrivain. Dans sa carrière, ses publications sont nombreuses. Charles Garnier est reconnu comme écrivain. Il est membre de la Société des Gens de lettres en 1883.