Впервые в ботанической науке описал множество растений, в частности, произрастающих в Океании.
Академик Королевской Академии моральных и политических наук.
Первоначальное обучение получил в Духовной школе иезуитов, а затем в университете в Валенсии изучал философию. Магистр философии (1762) и доктор теологии (1766).
С 1777 по 1781 год изучал ботанику в Париже, где опубликовал Monodelphiae classis dissertationes decem (1785; другое издание — Мадрид, 1790, с 296 таблицами). В этом сочинении автор переработал заново линнеевский класс Monodelphiae и полемизирует с Леритье (фр.)русск..
Подобную же полемику Каванильес предпринял позже в Испании против Ортеги (исп.)русск. и Руиса и резюмировал её в сочинении Coleccion de papeles sobre controversias botanicas (Мадрид, 1796).
Вернувшись в Испанию, Каванильес предпринял издание большого сочинения о культурных и декоративных растениях своей родины Icones et descriptiones plantarum, quae aut sponte in Hispania crescunt, aut in hortis hospitantur (6 томов с 601 таблицей, Мадрид, 1791—1801).
В то же время Каванильес получил от испанского правительства поручение объехать с ботанической целью Испанию.
В 1799 году он вместе с Луи Прустом начал издание естественно-исторического журнала Anales de Historia Natural (с 1801 года назывался Anales de Ciencias Naturales), опубликовал там 48 статей.
С 1801 по 1804 год Каванильес был директором Королевского Мадридского ботанического сада, в котором читал лекции, опубликованные в Мадриде в 1802 году под заглавием Descripcion de los plantas que D. Antonio Josef Cavanilles demostr? en las lecciones p?blicas del a?o 1801, precedida de los principios elementales de la Bot?nica (второе издание — 1827); в этом сочинении в первый раз описано множество американских растений.
Занимаясь изданием нового сочинения Hortus regius Madridensis, Каванильес внезапно умер.
Антонио Хосе Каванильес — дядя Антонио Каванильеса-и-Сенти, испанского историка.
Власти города Валенсии учредили ежегодную премию Каванильеса за научные заслуги и благотворительность в науке и культуре.
Именем Каванильеса назван Институт изучения биологической эволюции и биоразнообразия.
Список видов растений, описанных Каванильесом, смотри на International Plant Names Index.