Né de parents toscans dans le quartier populaire de la Belle-de-Mai à Marseille sous le nom de César Baldaccini, il entreprend des études artistiques dès l'âge de quinze ans. Il entre à l'Ecole des beaux-arts de Marseille en 1935 puis accède en 1943 à l'Ecole nationale supérieure des beaux-arts de Paris. Une période durant laquelle, il travaille le plâtre avant de réaliser ses premières sculptures en ferraille. S'il se tourne, par souci d'économie, vers des matériaux de récupération peu coûteux, il découvre très vite, dans les métaux, le lieu d'expression de sa puissance créative.

Fils spirituel de Rodin et de Giacometti, César fait la connaissance à Paris de Picasso et de Germaine Richier, et habite la même maison qu’Alberto Giacometti dans le quartier de Saint-Germain-des-Prés. Ces rencontres ont une influence majeure sur les débuts de sa création artistique. César est aussi inspiré par le travail de Brancusi, de Pablo Gargallo et de Julio Gonzales.

Ses assemblages de déchets métalliques ont donné naissance à un bestiaire inquiétant, qui lui ont permis de proposer ses propres versions, très expressives, de la figure humaine.

Il participe en 1956 à la biennale de Venise.

Parallèlement, ses recherches le conduisent à l’invention de techniques de création plus audacieuses, avec en premier lieu les "compressions" de carrosseries d’automobiles. Il découvre cette technique en 1958, en fouinant chez un ferrailleur de Gennevilliers. A l’aide d' une presse hydraulique, il compresse des voitures et les expose au public comme des sculptures. Ses "Compressions"  font scandale au salon de Mai de 1960.

Il créé ensuite les "Expansions" de polyuréthane à partir de 1965, entre ses mains, la résine liquide s’étale à l’horizontale. Les "Expansions" se déclinent en variations de bronze. Cesar crée l’une de ses pièces les plus connues : son Pouce. 

À travers les Compressions, les Empreintes humaines et les Expansions, César remet en question les canons de la sculpture traditionnelle. L’emploi de la presse hydraulique, du polyuréthane expansé et de l’empreinte lui permet de s’approprier le réel de manière directe, en réduisant son intervention manuelle. Marquant la fascination de César pour l’esthétique du déchet industriel, ces œuvres ont fait de lui l’un des représentants majeurs duNouveau Réalisme en France (Yves Klein, Arman, Jacques Villeglé et Raymond Hains). À partir des années 80, l’artiste revient à une sculpture plus traditionnelle et délibérément esthétisante. César reçoit en 1988 le prix Rodin.

En 1997, la Galerie Nationale du Jeu-de-Paume, à Paris, lui consacre une grande rétrospective où César expose  ses "Grands Autoportraits aveugles", ses "Vanités". Il termine sa carrière avec cette série de portraits et d'autoportraits.

Le 6 décembre 1998, César décède chez lui, rue de Grenelle à Paris, à l'âge de 77 ans.  Artiste majeur du XXe siècle, il se définissait comme un "autodidacte absolu."