Родился 27 января 1832 в доме приходского священника в деревне Дарсбери, графство Чешир. Всего в семье было 7 девочек и 4 мальчика. Учиться начал дома, показал себя умным и сообразительным. Был левшой; по непроверенным данным, ему запрещали писать левой рукой, чем травмировали молодую психику (предположительно, это привело к заиканию). В двенадцать лет поступил в небольшую частную школу недалеко от Ричмонда. Ему там понравилось. Но в 1845 году ему пришлось поступить в школу Рагби (), где ему нравилось значительно меньше. В начале 1851 года переехал в Оксфорд, где поступил в Крайст-Чёрч, один из наиболее аристократических колледжей при Оксфордском университете. Учился не очень хорошо, но благодаря выдающимся математическим способностям после получения степени бакалавра выиграл конкурс на чтение математических лекций в Крайст-Чёрч. Он читал эти лекции в течение следующих 26 лет, они давали неплохой заработок, хотя и были ему скучны. По уставу колледжа он принял духовный сан, но не священника, а только диакона (что давало ему право читать проповеди без работы в приходе).
Писательскую карьеру начал во время обучения в колледже. Писал стихотворения и короткие рассказы, отсылая их в различные журналы под псевдонимом Льюис Кэрролл. Псевдоним «Льюис Кэрролл» образован из настоящих имён автора «Чарльз Латвидж», которые являются соответствиями имён «Карл» (лат. Carolus) и «Людовик» (лат. Ludovicus); Доджсон выбрал другие английские соответствия этих же имён и поменял их местами. Постепенно приобрёл известность. С 1854 года его работы стали появляться в серьёзных английских изданиях: «Комик таймс» (англ. The Comic Times), «Трейн» (англ. The Train).
В 1856 году в колледже появился новый декан — Генри Лиддел (англ. Henry Liddell), вместе с которым приехали его жена и пять детей, среди которых была и 4-летняя Алиса.
В 1864 году написал знаменитое произведение «Алиса в стране чудес».
В 1867 году диакон англиканской церкви Доджсон вместе с богословом преподобным Генри Лиддоном посетил Россию. Это был период богословских контактов англиканской и православной церквей, которыми особо интересовались Лиддон и влиятельный епископ Оксфордский Сэмюэл Уилберфорс, чьими рекомендательными письмами заручились оба клирика. Вместе с Лиддоном Кэррол был принят в Москве и Сергиевом Посаде митрополитом Филаретом (визит был приурочен к 50-летию его святительства на московской кафедре) и архиепископом Леонидом (Краснопевковым). Маршрут поездки был следующий: Лондон — Дувр — Кале — Брюссель — Кёльн — Берлин — Данциг — Кёнигсберг — Петербург — Москва — Нижний Новгород — Москва — Троице-Сергиева Лавра — Петербург — Варшава — Бреслау — Дрезден — Лейпциг — Эмс — Париж — Кале — Дувр — Лондон. Это была единственная заграничная поездка Кэррола. Её описал он сам в «Дневнике путешествия в Россию 1867 г.» (не предназначался для печати, издан посмертно), где приводятся туристические впечатления от посещённых городов, заметки о встречах с русскими и англичанами в России, записи отдельных русских фраз.
Публиковал также много научных трудов по математике под собственным именем. В частности, разработал один из методов вычисления определителей (конденсация Доджсона). Одним из его увлечений была фотография.
Умер 14 января 1898 в Гилфорде, графство Суррей.
Льюис Кэрролл был холостяком. В прошлом считалось, что он не дружил с особами противоположного пола, делая исключение для актрисы Эллен Терри.
В последние десятилетия выяснилось, что большинство его «маленьких» подруг были старше 14, многие 16—18 лет и старше. Подруги Кэрролла в воспоминаниях часто занижали свой возраст. Так, например, актриса Иза Боумен пишет в своих мемуарах:
В действительности ей было не менее 13 лет.
Другая «юная подружка» Кэрролла, Рут Гэмлен, в своих мемуарах сообщает, как в 1892 году родители пригласили на обед Кэрролла с гостившей у него в то время Изой. Там Иза описана как «застенчивый ребенок лет двенадцати», в действительности в 1892 году ей было 18 лет.
Сам Кэрролл также называл словом ребёнок (англ. child) не только маленьких девочек, но и женщин 20—30 и более лет. Так, в 1894 году он писал:
Как показали исследования, больше половины «девочек», с которыми он переписывался, старше 14 лет; из 870 комментариев, сделанных им по поводу актёрской игры, 720 относятся ко взрослым актёрам и только 150 — к детям.
В викторианской Англии конца XIX века девочки до 14 лет считались асексуальными. Дружба Кэрролла с ними была, с точки зрения тогдашней морали, совершенно невинной причудой. С другой стороны, слишком близкое общение с молодой женщиной (особенно наедине) строго осуждалось. Это и могло заставить Кэрролла своих знакомых женщин и девушек объявлять маленькими девочками, а их самих — занижать свой возраст.