Nació en Bayamo (Cuba) el 18 de abril de 1819. Durante su niñez se crió en el campo. Estudió latín y retórica en su ciudad natal. Pasó a la Habana en 1834, donde se graduó como bachiller en artes. En 1840 pasó a la península, donde se graduó en derecho por las universidades de Madrid y Barcelona. Allí conoció al general Prim, con quien participó en una de sus conspiraciones, lo que le valió ser desterrado a Francia. Recorrió Iglaterra, Alemania e Italia antes de regresar a Cuba.

En 1844 regresó a Cuba. Allí contrajo matrimonio con su prima hermana María del Carmen Céspedes, y se estableció en su ciudad natal de Bayamo, donde abrió un bufete de abogado y continuó las tareas literarias que había iniciado en Madrid. En Bayamo nacieron sus hijos Carlos Manuel, María del Carmen y Oscar: a Oscar lo fusilaron los españoles en 1870 al negarse Céspedes a deponer las armas a cambio de su vida: "Oscar no es mi único hijo", respondió a la propuesta, "soy el padre de todos los cubanos que han muerto por la revolución"; por eso se le conoce como el Padre de la Patria cubana. En la década de 1850 Céspedes hacía versos y componía música, atendía el bufete y administraba sus propiedades; era el alma de las reuniones de recreo y practicaba la equitación y la esgrima. El Ayuntamiento de Bayamo lo nombró síndico de esclavos, cargo que desempeñó con celo para evitar el abuso de los amos.

Es entonces que empieza a denunciar el despotismo de España. Cuando el gobernador celebró un banquete en 1851 por la ejecución de Narciso López, Céspedes condenó en público la poca hidalguía de los españoles. Lo encarcelaron, y fue condenado a su primer destierro: a Palma Soriano. A poco pudo regresar a Bayamo y de nuevo lo desterraron, esta vez a Manzanillo, para después obligarlo a residir más lejos, en Baracoa, y aun luego a Santiago de Cuba. La pena de esos castigos se entiende mejor al asomarse a lo que debieron ser aquellos lugares para el culto dandi de "bastón de carey con puño de oro", como lo describió Martí.

Aunque en Palma Soriano estuvo con su amigo el poeta José Fornaris, el lugar no era en 1860 más que un caserío de 250 habitantes con una escuela para varones y otra a la que asistían ''seis niñas blancas y una negrita'', según la descripción de Pezuela en su Diccionario. En Baracoa, con unos 3 mil habitantes, no había vida artística ni social y para el transporte en toda la ciudad sólo se disponía de un quitrín y una volanta. En Santiago de Cuba obligaron a Céspedes a permanecer en el puerto, encerrado en un bergantín que le servía de cárcel. En Manzanillo, que fue donde tiempo después se radicó, pudo serle menos doloroso el exilio: con unos 5 mil habitantes entre blancos y esclavos, y ''pardos y morenos'' libres, había 7 abogados, 4 médicos y 4 maestros de escuela; una Sociedad Filarmónica, un teatro, 20 quitrines y 2 volantas.

En 1867 Céspedes compró el ingenio La Demajagua. Tenía por entonces 47 años.

En 1868 la idea separatista había germinado en él, y se unió a los que organizaban la insurrección contra España. Fueron descubriertos y Céspedes adelantó la fecha del levantamiento, señalándola para el 10 de octubre de 1868. Previamente, el 22 el septiembre se puso al frente de la insurrección dando la libertad a sus esclavos los que, ya como hombres libres, se armaron para también luchar por la independencia de Cuba. El 7 de octubre los principales caudillos rebeldes se reunieron en el ingenio El Rosario y le proclamaron único jefe del movimiento, de acuerdo con los clubs y logias masónicas de la isla. Se señaló el levantamiento para tres días después y, en efecto, el 10 de octubre se sublevó contra la dominación española al frente de 140 hombres mal armados y 200 de sus esclavos. Era el conocido como Grito de Yara, origen de la La Guerra de los Diez Años.

El 11 de octubre dió el "Manifiesto de la Junta revolucionaria de Cuba", dirigido a sus paisanos y a las naciones extranjeras, de modo que a fin de mes contaba con unos 9700 hombres a sus órdenes. Se apoderó de Yara, que tuvo que abandonar tras un encuentro con una columna española. Marchó a Baire y Bayamo, localidad que tomó el 18 de octubre, pero que abandonó el 16 de enero ante la proximidad del general Valmaseda, por lo que se retiró a Guaimaro.

Establecido su cuartel general en Guaimaro el 10 de abril de 1869, decretó la abolición inmediata de la esclavitud, lo que le creó dificultades en la parte occidental de la isla. Convocó la Asamblea Constituyente Cubana, compuesta por 15 representantes que le eligieron por aclamación primer presidente de la República en armas; dió una Constitución federal a la isla y entregó el mando del ejército rebelde a su cuñado Manuel Quesada.

Trató de obtener el estatus de beligerante del presidente Ulysses S. Grant, pero fracasó en sus intentos. Tras el avance de las tropas españolas del general Puello desalojó la ciudad de Guaimaro, y se retiró hacia un lugar más seguro en el sur, lo que quebrantó mucho su prestigio. En 1873 anuló la sentencia de un consejo de guerra contra su cuñado Quesada por abuso de mando, por lo que la Cámara le destituyó de la presidencia de la República por abuso de poder.

Permaneció dos meses oculto en la choza de una familia pobre del campamento de Santa Bárbara, en las cercanías de San Lorenzo (Sierra Morena), enseñando a leer a uno de los hijos, a la espera de que la Cámara le otorgase un pasaporte para trasladarse al norte. La noche del 22 de marzo de 1874 la choza fue rodeada por más de 300 españoles a las órdenes del comandante Valenzuela. En el enfrentamiento que siguió el caudillo cubano resultó muerto, a punto de cumplir los 55 años. Algunos biógrafos sostienen que disparó cinco tiros de su revolver contra los soldados, y que se suicidó con el sexto. Su se envió a Santiago de Cuba.

Como poeta y escritor, escribió varios sonetos y madrigales. Escribió numerosas poesías líricas, una traducción de algunos cantos de la Eneida (que no publicó) y la comedia "Las dos Dianas".