Carlo Cattaneo nasce a Milano nel 1801, in una famiglia della piccola borghesia: il padre infatti è orefice.

Gli studi avvengono a Milano presso il liceo di Porta Nuova, ma la sua formazione si nutre anche di letture appassionate dei classici nelle biblioteche di zii e cugini, esponenti della borghesia intellettuale lombarda. Le biblioteche milanesi, quella di Brera e l’Ambrosiana, sono gli ambienti in cui, oltre alla lettura, inizia la sua frequentazione di molti intellettuali attraverso i quali entra in contatto con le idee dell’Illuminismo e matura interessi per la storia e le scienze che saranno caratteristici del suo impegno civile.
Nel 1820 viene assunto come insegnante di grammatica latina e poi di scienze umane nel ginnasio comunale di Santa Marta dove resterà per quindici anni, anche se le proibitive condizioni dell’ambiente, privo di riscaldamento, gli causeranno gravi problemi di salute. Comincia a pubblicare su diverse riviste, tra cui l’«Antologia», recensioni, articoli, opere divulgative e traduzioni dal tedesco su argomenti storici e scientifici.
Diventa amico anche di Vincenzo Monti e di sua figlia Costanza e più tardi di Gian Domenico Romagnosi, che tiene lezioni di diritto in una sua scuola privata. Anche Cattaneo segue le lezioni del Romagnosi, di cui diventa amico, e testimonia in suo favore quando, nel 1821, Romagnosi viene arrestato e processato per sospetta adesione alla Carboneria. Continua a studiare diritto con Romagnosi quando questi riapre la scuola nel 1824 e proprio in giurisprudenza si laurea, sempre nel 1824, presso l’Università di Pavia con il massimo dei voti.