生于法国尼斯，卒于英国伦敦。出身贵族家庭。1748年进剑桥的彼得豪斯学院求学，未及毕业，于1753年去欧洲大陆游历。不久回伦敦，在他家中的实验室从事科学研究工作。1760年在他父亲的帮助下，被选为英国皇家学会会员，并参与到当时英国科学界的各项活动，包括气象和天文仪器的检查、论文评阅和若干科学考察活动的指导。他还是法国科学院的外籍院士。卡文迪什的一生是在实验室和图书馆里度过的，为了致力于科学，他几乎过着隐居生活，很少与人往来，且终身未婚。

卡文迪什在物理和化学的实验研究领域做出了大量贡献，是当时最具盛名、也是最被推崇的实验学家之一。1798年卡文迪什设计了一台灵敏的扭秤，以此进行了著名的扭秤实验，推算出地球的质量和密度，并推算出引力常数G，使万有引力定律不再是一种概念性的陈述，而是定量的适用于地面上一切物体的精确定律。这个实验开精微测定技术的先河。在电学方面，卡文迪什独自发现：一对电荷之间的作用力与它们之间距离的平方成反比。他在M.法拉第之前，用实验演示了电容器的电容取决于介于它们两板之间的物质。他最早建立了电势的概念，发现导体两端的电势与通过它的电流成正比。他还研究了热现象，通过对硫、炭、玻璃等的测试，发现了比热和潜热的真实物理意义。

在化学领域，卡文迪什也有众多发现。1766年，卡文迪什在他的第一篇出版物中讨论了“人造空气”的问题，报道了他将金属溶解在酸中制造“可燃空气”（即氢气）、将碳酸盐溶解在酸中制造“固定空气”（即二氧化碳）的实验，并测量了它们的溶解度和比重。1783年，他进一步通过在“脱燃素空气”（即氧气）中燃烧“可燃空气”得到水的实验，说明氢气要么是燃素、要么是燃素和水的复合物。他因支持燃素说，没能像A.-L.拉瓦锡一样给出水的正确组成，但在看到拉瓦锡的文章之后，他迅速成为了燃素说的反对者。1785年，研究了大气的成分，通过电火花发电和用水吸收的方法，将大气中的氮气和氧气全部转化为可溶解的氮氧化物，但最终仍然剩下了1/120体积的气体无法吸收。这项实验结果百年之后才被W.拉姆齐和瑞利重新验证，卡文迪什因此成为第一个发现稀有气体的人。此外，他还为国家造币厂研究了黄金合金的物理性质，确定最耐磨的黄金合金，以减少金币的磨损消耗。晚年，卡文迪什指导了H.戴维的早期化学实验研究。

卡文迪什逝世后留下的大量财产，由他的侄子G.卡文迪什在1871年捐赠给剑桥大学建立物理实验室。这个实验室在1874年建成，为纪念卡文迪什而定名为卡文迪什实验室。