Szegény családból származott, ösztöndíj segítségével végezte el tanulmányait az École Normale Supérieure-ön Párizsban, itt szerzett doktorátust 1894-ben. Montpellier-ben és Lyon-ban oktatott, majd professzor lett Nancy-ban 1903-ban. 1909-től előadó, majd 1912-től professzor a párizsi Sorbonne-on, nyugdíjbavonulásáig, 1940-ig. Jelentős munkásságot fejtett ki a differenciálegyenletek, majd a Lie-csoportok területén. Számos fontos tétel, illetve a csoportelmélet területén bevezetett új fogalom fűződik a nevéhez. Eredményei, így az Einstein-Cartan elmélet, az elméleti fizikában is jelentősek. Fia, Henri Cartan is neves matematikus lett.