Родился 9 октября 1835 г. в Париже. С ранних лет обнаружил яркое музыкальное дарование — много сочинял, выступал в качестве пианиста (первый клавирабенд — в 10-летнем возрасте).
В Парижской консерватории Сен-Санс занимался у Н. Ребера и Ж. Галеви, частным образом — у Ш. Гуно. Дебютируя первой симфонией Es-dur (1852), молодой автор удостоился похвалы Г. Берлиоза: «Этот юноша знает все, ему не хватает лишь одного — опытности». Блестящую будущность предрекал автору Es-dur'ной симфонии Гуно.
Окончив консерваторию (1855), Сен-Санс некоторое время работает органистом в парижских соборах, преподает в Нидермайерской музыкальной школе. С конца 60-х гг. он целиком переключается на концертно-исполнительскую и творческую деятельность. Много разъезжает (европейские страны, Африка), неоднократно посещает Россию. Дружит с Рубинштейном, увлекается музыкой Глинки, Чайковского и «кучкистов», пропагандирует на родине «Бориса Годунова» Мусоргского. Напряженно работая — гастролируя, сочиняя,— Сен-Санс одновременно принимает активное участие в общественной и культурной жизни своей страны. Он охотно сотрудничает в прессе, пишет критические статьи (сборники «Гармония и мелодия», 1885; «Портреты и воспоминания», 1900; «Проделки», 1913 и др.), обогащая западноевропейское музыкознание рядом интересных мыслей и глубоких эстетических идей. Инициативе Сен-Санса Париж обязан созданием «Национального музыкального общества» — организации, пропагандировавшей сочинения отечественных мастеров, оказавшей неоценимые услуги французскому искусству второй половины XIX столетия.
Глубокий светлый ум и энциклопедические знания, огромная эрудиция, опыт и талант завоевали композитору высокий авторитет у современников. «На долю Сен-Санса выпала весьма редкая честь — увидеть себя в положении классика еще при жизни,— писал Р. Роллан.— Его имя, долгое время не признаваемое, завоевало себе всеобщее уважение как в силу благородства его личности, так и в силу совершенства его искусства».
Прожив долгую плодотворную жизнь, композитор скончался 16 декабря 1921 г. в Алжире.
Творческое наследие композитора огромно. Он успешно работал в жанрах симфонической музыки, создал ряд превосходных камерно-инструментальных сочинений, написал около ста романсов. Это не считая музыки к многочисленным театральным постановкам, месс, кантат, ораторий и др. «Интродукция и рондо-каприччиозо для скрипки с оркестром» (1870), третья симфония (1886), виолончельный концерт (1873), второй и пятый концерты для фортепиано с оркестром (1868, 1895), симфонические поэмы «Прялка Омфалы» (1871) и «Фаэтон» (1873) — таковы основные творческие удачи Сен-Санса, произведения, любимые самыми широкими кругами слушателей.
Перу музыканта принадлежит 12 опер. Первые две из них — «Желтая принцесса» (1872) и «Серебряный колокольчик» (1877) — оказались малоудачными, и дирекция парижской «Гранд-Опера» заочно отвергла партитуру третьей оперы Сен-Санса — «Самсон и Далила». Помог Ф. Лист, осуществивший в 1877 г. постановку «Самсона и Далилы» в Веймаре. Опера в дальнейшем утвердилась в репертуаре большинства европейских театров. Этому способствовала высокая патриотическая идея сочинения, умение Сен-Санса рельефно и образно охарактеризовать своих героев, тонкая колористичность и безупречная стилистическая чистота партитуры.
В 80—90-е гг. композитор создал еще ряд оперных полотен («Этьенн Марсель», 1879; «Генрих VIII», 1883; «Прозерпина», 1887; «Асканио», 1890 и др.). Однако успех, достигнутый им в «Самсоне и Далиле», остался непревзойденным.