Окончил юридический факультет Московского университета (1839). В 1857—1861 профессор Петербургского университета. В 1840-е был близок Т. Н. Грановскому, А. И. Герцену и занимал западнические позиции. В эти годы был участником кружка Белинского
В 1855 составил и распространял в списках «Записку» об освобождении крестьян с землёй за выкуп в пользу помещиков при содействии государства, опубликованную А. И. Герценом (частично) в «Голосах из России» (1857) и Н. Г. Чернышевским в журнале «Современник» (1858). Это повело к отстранению Кавелина от чтения лекций наследнику престола по истории и правоведению. С 1878 занимал кафедру гражданского права Военно-юридической академии.
С либеральных позиций поддерживал подготовку и проведение крестьянской реформы 1861. В брошюре «Дворянство и освобождение крестьян» (1862) выступил против идеи конституции с апологией сильной самодержавной власти.
С конца 1850-х сближался со славянофилами. В 1866 представил царю консервативную записку «О нигилизме и мерах против него необходимых». В 1860—1880-х выступал против материализма в психологии и этике.
Общие вопросы истории освещал через призму правовых отношений и придавал изложению публицистическую форму. Наряду с Б. Н. Чичериным стал основателем государственной школы в русской историографии. Развивал идею о решающей роли государства в жизни народа. Государство, по мнению Кавелина, явилось высшей формой общественного бытия в истории России, а власть — инициатором и гарантом прогресса.
К трудам философского характера относятся «Задачи психологии» (1872) и «Задачи этики» (1884). Исторические взгляды Кавелина сформулированы в работах: «Взгляд на юридический быт Древней России» (1847), «Краткий взгляд на русскую историю» (1887), «Мысли и заметки о русской истории» (1866).
В 1900 году, было издано полное собрание сочинений К.Д. Кавелина (под редакцией профессоров Л.З. Слонимского и Д. А. Корсакова).