Il pittore Carolus Cesius nasce ad Antrodoco nel 1622, suo padre è Francesco Cesi e sua madre Caterina Salvatucci di Terni.

Francesco, o forse Giovan Francesco, anch'egli pittore, appartiene ad una delle famiglie più importanti di Antrodoco. E' infatti figlio del notaio Panfilo Cesi che nel 1615 era stato anche Governatore di Poggio Moiano in Sabina. Intorno al 1628 Francesco Cesi, dopo aver venduto la sua bottega orafa di Antrodoco, si trasferisce con tutta la famiglia a Rieti e vive presso il fratello Reverendo Don Giovan Battista.

Il 10 marzo del 1628 Caterina, moglie di Francesco, acquista dai fratelli Chiavelloni una porzione del loro Palazzo, sito nel quartiere di Porta Cintia a Rieti, dove nascono, nel 1628, Onofrio e, nel 1631, Giovan Battista Valeriano. Sia Caterina che Francesco provvedono all'economia della famiglia, che viene migliorata grazie alla collaborazione fortunata tra Francesco ed il pittore fiorentino Cavalier Lattanzio Niccoli. Palese è dunque il fatto che Carlo Cesi e suo fratello Antonio abbiano ricevuto una formazione giovanile proprio dalla scuola del padre.

Il talento del giovane Carlo viene scoperto da un pittore fiorentino capitato a Rieti per caso e proprio a Rieti egli porta a compimento i suoi primi lavori.

Tra il 1644 ed il 1645 la morte del padre segna il trasferimento del Cesi a Roma, presso l'Accademia Nazionale di S. Luca. In quegl' anni è discepolo di Pietro da Cortona, grazie al quale entra in un ampio giro di committenze.

Nel 1651, sotto il principato del pittore fiammingo Louis Cousin, detto Gentile, Carlo Cesi viene dichiarato ufficialmente Accademico di S. Luca. In vero già da tempo il pittore aveva una sua bottega.

Nel 1655 Cesi viene nominato Cerimoniere dell'Accademia e nel 1656 ne è Segretario. Frequenta gli ambienti della regina Caterina di Svezia, ma è sempre grazie al legame con Pietro da Cortona che il Cesi realizza diverse cose per il Marchese Sacchetti, dopo essergli stato presento dal Berrettini. Il Sacchetti a sua volta lo presenta al Cardinal Ginnetti e nell'estate del 1656 Carlo è presente nell'equipe impegnata a decorare la Galleria di Alessandro VII al Quirinale.

Del 1657 sono le 40 incisioni riproducenti la volta della galleria Farnese dei Caracci, pubblicate da François Collignon, in un'opera dal titolo "Argomento della Galleria Farnese", che il Cesi dedica al cardinale Pietro Ottoboni, futuro Papa Alessandro VIII e già Governatore di Rieti. Nel 1659 il Cesi lavora alla decorazione della Cappella Maggiore di S. Dionigi alle Quattro Fontane, Chiesa dei Trinatri del Riscatto e nel 1660 su commissione del Duca Federico di Acquasparta per le cappelle di famiglia in S.Maria Maggiore ed in S.Maria della Pace. Nel 1661 Giovan Giacomo De Rossi pubblica la serie di incisioni degli affreschi del Cortona nella Galleria Pamphili, realizzate da Carlo Cesi su commissione del principe Panphili al quale sono dedicate. L'anno seguente il Cesi partecipa con due disegni al \"Missale Romanorum\" detto di Alessandro VII, pubblicato a cura della Camera Apostolica. Nel 1663 Carlo è Reggente della Congregazione dei Virtuosi al Pantheon, nello stesso anno è nominato Assistente agli Studi, insieme a Giovan Battista Gaulli, con il compito di dare le licenze e tenere il registro degli allievi. Nel 1664 è Segretario dell'Accademia in concomitanza con Basilio Bricci e su sua proposta viene redatto un elenco degli accademici viventi secondo l'ordine di ammissione per esporlo nella stanza delle Congregazioni.

Successivamente partecipa all'iniziativa di istituire un corso di "Architettura Militare", affidato al Capitano Pietro Stroppa, membro dell'accademia di Disegno di Perugia, aggregata per l'occasione a quella di S. Luca.

Nel 1665 il Cesi pur essendo confermato Segretario rinuncia e viene sostituito dal Bellori. La sua rinuncia è probabilmente dovuta ai contrasti con il gruppo del Maratti, che è Principe, del quale fa parte anche il Bellori.

Tra il 1664 ed il 1666 Cesi ospita in casa sua il pittore Filippo Micheli da Camerino ed il giovane aiuto pittore Cesare Diotallevi.

Nel 1666 esegue la tela, in seguito perduta, di S. Carlo Borromeo e S.Filippo Neri, per l'Oratorio dei Re Magi nel Palazzo di Propaganda Fide.

Nel 1668 Vincenzo Chiavelloni, canonico del Duomo di Rieti e membro dell'Accademia romana degli Infecondi, pubblica i "Discorsi della Musica" dedicandoli al nipote, il Cardinal Giacomo Rospigliosi. Carlo Cesi disegna ed incide il frontespizio del volume. Quasi contemporaneamente Cesi lavora per il Cardinal Alderamo Cybo e per il Principe Lorenzo Onofrio Colonna, marito di Maria Mancini, nipote del Cardinal Mazzarino.

Nel 1672 Cesi ritorna a far parte delle congregazioni dell'Accademia di S. Luca , fra i curatori degli interessi finanziari dell'istituzione. Riprende a frequentare assiduamente le riunioni e l'8 gennaio dell'anno seguente viene eletto Segretario ed è Procuratore alle liti. Tali incarichi gli rimangono fino al 1674.

Il 30 Aprile del 1672 vengono nominati gli insegnanti per i corsi accademici dell'anno: a Mattia de Rossi vengono affidate le lezioni di architettura, a Pietro del Po quelle di prospettiva ed a Carlo Cesi quelle di anatomia.

Dal 1673 al 1679 il Cesi elabora bene 18 disegni per illustrare le sue lezioni, che vengono incisi e pubblicati col titolo "Cognizione di muscoli del corpo umano per uso del disegno", a cura di François Collignon . Presso l'Accademia di S. Luca sono ancora conservati 17 disegni del pittore, raccolti sotto il titolo di "Lezioni di Prospettiva di Carlo Cesi". Presumibilmente dello stesso periodo sono gli studi accademici di nudo e panneggio donati all'Accademia di S. Luca , ed i disegni che, fra il 1686 ed il 1696, saranno incisi e pubblicati da Matteo Gregorio De Rossi in 24 tavole dal titolo "Elementi di disegno di carlo Cesi", costituite da esempi di proporzionamento e chiaroscuro nella figura umana.

La copiosa produzione didattica incentiva la posizione del Cesi nell'ambito dell'Accademia, tanto che nel 1675, nonostante che il progetto Bellori e Maratti di aggregazione dell'Accademia di Francia desse buon esito, egli viene eletto Principe. Sotto il suo Principato vengono riprese le trattative per l'acquisto dei locali dei "Granai" di proprietà degli "Orfanelli" di S.Vebano, molte volte affittato in precedenza; viene promossa la causa per l'esecuzione del Breve di Urbano VIII circa le tasse dovute dai mercanti di quadri, inviando un memoriale alla Regina Cristina ed ai Cardinali Chigi ed Azzolini; viene accolta la richiesta di aggregazione, promossa dal pittore Francesco Garalli, da parte dell'Accademia del Disegno di Torino, a conferma del forte orientamento filofrancese; si propone una licenza per i pittori al fine di difendere l'ordine professionale. Un incidente assai rilevante segna il principato del Cesi. Tale incidente riguarda la questione della collocazione da parte dei deputati di S. Eufemia, incaricati di eseguire le disposizioni testamentarie di Pietro da Cortona , di una lapide dedicata all'artista nella cripta di S.S. Luca e Martina. Infatti il gruppo dirigente dell'Accademia, con l'appoggio del Cesi, reagisce violentemente facendo rimuovere la lapide. Sul caso nasce una causa legale che dura fino al rescritto, ottenuto da Ciro Ferri nel 1677, con l'autorizzazione a ricollocare la memoria.

L'11 settembre del 1675 il segretario Ghezzi comunica che il Cesi, Principe dell'Accademia, a causa di un improvviso incidente, avrebbe dovuto abbandonare Roma. In vero, fonti certe, registrano la presenza del Cesi a Roma dal 1676 al 1678, mentre negli atti dell'Accademia non è più riportato il suo nome.

Dopo il 1675 molti sono gli allievi che dietro presentazione del Cesi cominciano a frequentare l'Accademia tra cui Jean Pierre Simonet, Jean du Monteil, Angelo Massarotti, etc... Nonostante i grandi impegni con l'Accademia di S. Luca il Cesi a continuato comunque ad intrattenere buoni rapporti con la clientela reatina, tanto che nel 1673 la confraternita di S. Bernardino gli commissione il nuovo stendardo processuale, mentre la congregazione comunale, incaricate della decorazione di S. Barbara in Duomo gli affida nello stesso periodo, la realizzazione dell' "Immacolata Concezione" e del "Martirio di S.Barbara".

Risalgono al 1678 i viaggi che il Cesi presumibilmente fa con il pittore suo amico Pietro Del Po' (ricordati dal Pascoli nella vita del Del Po', di discussa attendibilità).

Carlo Cesi lascia dunque Roma nel 1679 e nel medesimo anno realizza a Rieti lo stendardo della Confraternita di S. Maria della Misericordia.

Agli ultimi anni di vita del pittore risale la realizzazione della "Crocifissione con la Madonna e S. Rita da Cascia", oggi ad Antrodoco, e la supervisione per conto del Comune di Rieti della decorazione della cappella di S. Barbara in Duomo, affidata a Giovanni Fontana.

Il 6 gennaio del 1682 Carlo Cesi muore a Rieti di malattia.