生、卒于巴黎。其父亲是法国贵族拉扎尔·卡诺（Lazare Carnot，1753～1823），不仅在法国大革命和拿破仑第一帝国时代担任要职；也是一位科学家，在热学及能量守恒与转化定律的发现上均有贡献。

卡诺1812年考入巴黎综合理工大学，攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。1814年毕业，后赴法国梅斯学习了2年的军事工程学。1816年任少尉军官。1819年调任巴黎总参谋军团，其间对工业经济产生了浓厚兴趣，发现热机效率低是当时工业界的一个重要难题，并由此走上了热机理论研究的道路。后在其弟弟伊波利特·卡诺（Hippolyte Carnot，1801～1888）的协助下，完成了《关于火的动力》一书的写作，并于1824年6月12日发表。在这部著作中，=提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”（也称为“卡诺定理”）。1830年被推选为贵族院议员，但他是一名共和主义者，拒绝了这个职务。1831年开始研究气体和蒸汽的物理性质。1832年6月不幸患上猩红热，不久后转为脑炎，后又因染上了流行性霍乱而逝世。

卡诺去世时，按照当时的防疫条例，其遗物被付之一炬，生前所写的大量手稿被烧毁，只有小部分手稿由其弟弟保留了下来。这部分手稿包含有一篇《关于适合于表示水蒸气的动力的公式研究》的论文，以及涉及绝热过程研究、摩擦生热研究和抛弃“热质”学说的其他23篇论文。这些遗作由其弟弟进行了整理，并于1878年发表。

卡诺亲身经历了蒸汽机革命的冲击，见证了蒸汽机是如何促进人类文明发展的。发现了蒸汽机性能改进的局限性。蒸汽机早期的效率只有大约3%，在缺乏理论认识的情况下，工程师不断尝试提高热机效率的各种技术手段，但均不具备普遍性。卡诺采用了截然不同的方法，不再研究个别热机，而是寻找一种可以作为比较标准的理想热机。抓住了两个最为关键的问题：①热机效率是否存在上限；②是否有比蒸汽更好的工质。他在《关于火的动力》著作中论述了一种由4个热力过程组成的理想热机模型（“卡诺热机”），可将进入热机系统的热量最大限度地转化为功。为了解释热机效率上限的问题，将热机的工作简化为一个由高温热源T1、热机和低温热源T2（可以视为多余热量的排放处）构成的循环，指出热量由高温热源传递到热机中，一部分通过做功转换为机械能，另一部分传到低温热源；该循环使得热机在高温和低温热源之间进行能量转换，这种理想化的热机效率是两个热源温度间的函数，后人证明为1-T2/T1；其中，T1和T2分别为热力学温标下高温和低温热源的温度。根据卡诺热机理论，“卡诺热机”是一切工作于相同高温热源和低温热源之间效率最高的热机；而“卡诺循环”是一种可逆循环。

对于热机工质，卡诺讨论了空气和蒸汽的优缺点，得出了理想热机的最大效率与工质无关的重要结论，即“卡诺原理”：“热动力与用来产生它的工作物质无关，它的量唯一由在它们之间产生效力的物体（热源）的温度来确定，并与热质的输运量有关”。

但卡诺在《关于火的动力》著作中借用了“热质”的概念，这是该理论在当时受到怀疑的一个重要原因。为了避免混乱，卡诺在谈到热量、或热与机械功的关系时，就不再用“热质”一词，而改用了“热”；在后来的研究记录中，也彻底抛弃了“热质”一词。卡诺去世两年后，法国物理学家克拉珀龙（Benoit Pierre Emile Clapeyron，1799～1864）发表了《论热的动力》的论文，用压力-比容图（p-v图）解释了卡诺循环，但当时并没有产生很大反响；直到英国物理学家开尔文（William Thomson Kelvin，1824～1907）和德国物理学家R.J.E.克劳修斯的重新研究才使卡诺理论得到了学术界的普遍承认。1878年，《关于火的动力》第二版和卡诺生前遗稿的发表，使得人们普遍知道了卡诺及其理论。

卡诺被公认为是热力学的创始人之一，他第一个将热和动力联系在一起，创造性地提出了简单但有重要理论价值的卡诺循环，指明了提高热机效率的方向，揭示了热力学过程的不可逆性。卡诺循环和卡诺定理为热力学第二定律的建立打下了基础，在热力学的发展史中具有里程碑意义，卡诺也被后人认为是热力学第二定律的先驱。