Высшего образования не получил. С 1858 по 1862 года изучал астрономию в Парижской обсерватории (где работал вычислителем), с 1862 по 1866 года работал при Бюро долгот, в 1876—1882 году был сотрудником Парижской обсерватории. Состоял редактором научного отдела журналов «Cosmos», «Siecle», «Magasin pittoresque».
Кроме астрономии, Фламмарион занимался проблемами вулканологии, земной атмосферы, климатологией. В 1867—1880 годах совершил несколько подъёмов на воздушных шарах с целью изучения атмосферных явлений, в частности атмосферного электричества.
Камиль Фламмарион занимался спиритуализмом. Ему принадлежат такие книги как «Неведомое» (о паранормальных возможностях и явлениях человеческой психики), «Смерть и ее тайна» и другие. Это послужило поводом для опоры на его авторитет современных псевдонаучных авторов:
Степень причастности Фламмариона к теософскому обществу Е. Блаватской оценивалась различными авторами диаметрально противоположным образом.
Главнейшие сочинения Фламмариона: «La pluralit? des mondes habit?s» (1862); «Les Mondes imaginaires et les mondes r?els» (1865); «Les Merveilles c?lestes» (1866); «Histoire du ciel» (1873); «Astronomie populaire» (1880, получившая премию Французской академии), «Les Etoiles et les curiosit?s du ciel» (1881); «La plan?te Mars» (1893). Отдельно стоят его работы: «Dieu dans la nature» (1867); «астрономические» романы «Lumen» (1872); «Uranie» (1889). Кроме того, им написано 9 томиков «Etudes et lectures sur l’Astronomie» (1867—80); «L’Atmosph?re» (1872) и громадное количество меньших по размеру книг, брошюр и журнальных статей.
Большинство названных крупных работ Фламмариона выдержали десятки изданий, разошлись в сотнях тысячах экземпляров, переведены на все европейские языки и доставили громкую известность автору. Как чисто научные работы Фламмариона нужно упомянуть его «Catalogue des ?toiles doubles et multiples en mouvement relatif certain» (1878); «Atlas c?leste» (1877), его измерения двойных звезд и несколько заметок в «Comptes Rendus».
Наиболее важные научные достижения Фламмариона связаны с наблюдением двойных и кратных звёзд, в частности, он открыл собственное движение ряда двойных звёзд, доказав гравитационную связь между ними. Кроме того, Фламмарион много сил посвятил исследованию Марса (и написал книгу «Планета Марс и условия обитания на ней»).
Помимо астрономии Фламмарион изучал вопросы земной атмосферы, климатологии, вулканологии. Имя Фламмариона присвоено объектам на Луне и Марсе.