Ш.-А.ван Лоо происходил из старинной семьи художников, выходцев из Фландрии. Известным художником был и старший его брат, Жан-Баптист ван Лоо.
Отец мальчика, художник Луи-Абрахам ван Лоо скончался, когда тому было всего 7 лет. Воспитывался в семье своего старшего брата Жана-Баптиста и сопровождал его в поездках в Италию в 1712—1715 и в 1716—1718 годах. Во время этого второго путешествия занимался в Риме живописью под руководством художника Бенедетто Лути и скульптора Пьера Ле Гро. Был также учеником Пьера Гобера, придворного живописца короля Людовика XIV.
В 1720 Шарль-Андре приезжает в Париж и здесь рисует свою первую большую картину «Добрый самаритянин» (1723). Он служит помощником своему старшему брату при выполнении различных заказов, в частности при реставрации картинной галерем замка Фонтенбло (1724). Первый заказ получил в 1725 году на картину «Восшествие Христа во храм» для зала капитула собора Сен-Мартен-де-Шамп. Работал также над созданием декораций для Парижской оперы. За работу «Иаков убирает своё жилище перед отъездом в Вифлеем» художник получает Римскую премию Академии художеств.
В 1728 году художник приезжает в Италию. Здесь он пишет многочисленные полотна на религиозную и мифологическую тематику. В 1732 он направляется из Рима в Турин, где работает для короля Пьемонта и Сардинии Карла Эммануила III. В 1733 году ван Лоо, в связи с начавшейся войной за Польское наследство, возвращается на родину и в 1734 приезжает в Париж. В 1735 он становится членом Королевской академии художеств, в 1737 — профессором Академии.
В 1736 ван Лоо украшает картинами с охотничьими сценками залы Версальского дворца. В 1744 он рисует сценки для кабинета дофина в Версале. В 1740-е — 1750-е годы художник создаёт несколько серий картин, посвящённых древней истории, мифологии и религиозной тематике. При французском дворе он пользовался поддержкой королевской фаворитки мадам де Помпадур и постоянно получал от неё заказы. В 1747—1748 ван Лоо получает заказ на два портрета короля м королевы.
В 1754 он избирается ректором Академии, в 1763 — её директором. В 1750 художник был возведён в дворянское звание, в в 1751 — награждён орденом св. Михаила. В июне 1762 ему присваивается титул первого художника короля. В 1764 году ван Лоо предпринимает поездку в Лондон, и годом позднее умирает, в зените своего успеха.