生于美国宾夕法尼亚州伊斯顿，卒于宾夕法尼亚州兰开斯特。1880年于拉斐特学院获得学士学位。后去德国留学两年，先后在格丁根大学和莱比锡大学跟随R.H.洛采和W.冯特学习。1882年回国后在约翰斯·霍普金斯大学跟随G.S.霍尔学习。1883年第二次来到莱比锡大学，成为冯特的第一个助手，1886年获得心理学博士学位。1888年到英国剑桥大学任讲师，受到F.高尔顿的影响。后应聘宾夕法尼亚大学，获得世界第一个心理学教授职位。1891年转到哥伦比亚大学，创立实验室并担任主任，直到1917年因反对美国参加第一次世界大战被校方解雇。1894年与J.鲍德温一起创办《心理学评论》杂志，曾任《科学》编辑近50年。1895年当选美国心理学会主席。

卡特尔是美国第一个强调数量、重视测验和个体差异的心理学家。1890年，他在《心理测验与测量》一文中最早使用心理测验这一术语。他重视运用心理测验来研究个体差异，认为智力能力的测量可通过基本身体能力或感觉动作等的测量来获得。他编制了50多种心理测验程序，进行了大规模的测验，有力地推动了心理测验运动的发展。他在个体差异的研究上，涉猎反应时、联想、知觉和阅读过程、心理物理学、等级排列法等领域。

卡特尔一生未撰写专著，1917年，他的同事将其所有较重要的心理学研究报告（29种）、演讲及正式论文（41种）、文献提要（167种）编为两卷出版。