Сын французского офицера, раненного в бою под Смоленском и оставшегося в России, и литовской дворянки, он родился 6 (18) января 1835 года в Вильно. Отец мальчика, преподававший французский язык в гимназии, был человеком музыкально одаренным, играл на фортепиано и органе, сочинял музыку. Его музыкальные пристрастия передались младшему из пяти детей, названному при рождении Цезарем-Вениамином.
Первые уроки игры на фортепиано мальчик получил дома у отца и старшей сестры. Затем старательно занимался с частными педагогами. Уже в 14 лет Цезарь сочинил свою первую музыкальную пьесу — мазурку. Сочинение музыки его увлекло, последовали наивно-подражательные ноктюрны, романсы, увертюры. Нотные записи его сочинений показали Станиславу Монюшко, жившему в Вильно. Талантливый польский композитор оценил дарование молодого коллеги и стал бесплатно с ним заниматься. Чуть более полугода проучился у него Цезарь, но эти уроки он вспоминал всю жизнь.
К сожалению, занятия музыкой пришлось прервать, наступило время определяться с будущей профессией. В 1851 году Цезарь по совету отца поступил в Главное инженерное училище в Санкт-Петербурге. В годы учебы на серьезное занятие музыкой времени не оставалось. Но столица с ее богатыми культурными традициями, несомненно, много дала будущему композитору.
Военно-инженерное дело юноша постигал старательно, по окончании в 1855 году училища молодой офицер поступил в Николаевскую Военно-инженерную академию. В 1857 году, как один из лучших выпускников, был произведен в поручики и оставлен в академии репетитором по топографии. А уже через два года стал преподавателем фортификации, которой посвятил все свою последующую военную жизнь.
Человек громадной работоспособности, он на все находил время. Педагогическую деятельность Кюи сочетал с серьезным занятием музыкой. По его словам, большое влияние на него, как на композитора, оказала дружба с
С этого времени его произведения стали исполняться не только в России, но и за рубежом. Кюи оказался плодовитым автором. Им были написаны оперы «Кавказский Пленник», «Сын Мандарина», «Вильям Ратклиф», «Анджело», «Сарацин», «Пир во время чумы», «Капитанская Дочка». Всего Кюи написал 14 опер, из них четыре для детей: «Снежный Богатырь», «Красная Шапочка», «Кот в сапогах», «Иванушка-Дурачок». Стоит отметить, что шумного успеха его оперы не имели, хотя многие из них исполнялись на ведущих российских оперных подмостках. Лучшими из созданных им опер считаются «Вильям Ратклиф» и «Анджело», которые неоднократно ставились на сцене Мариинского и Большого театров. Согласно предсмертной воле Даргомыжского, Кюи написал конец 1-й сцены в «Каменном Госте», а после смерти Мусоргского дописал оперу «Сорочинская ярмарка».
Музыковеды считают, что наиболее полно как композитор Кюи раскрылся в небольших камерных произведениях, прежде всего, в романсах, которых он создал более 400. Его романсы отличаются искренностью, лиричностью, неподдельной глубиной чувств. И сегодня можно услышать в исполнении лучших российских вокалистов его романсы, написанные на прекрасные стихи Пушкина, Лермонтова, Майкова, Мицкевича, Некрасова.
Стоит отметить, что для вокального исполнения им было создано около 70 хоров и 2 кантаты. Много интересных произведений Кюи написал в области инструментальной музыки — это сюиты, скерцо, тарантелла, 3 струнных квартета, 25 фортепианных прелюдий, много пьес для скрипки и для виолончели.
Современники хорошо знали Цезаря Кюи и как музыкального критика. Он долгие годы был постоянным сотрудником «Санкт-Петербургских Ведомостей», где освещал музыкальную жизнь России. Его статьи и рецензии печатались в таких изданиях, как «Музыкальное обозрение», «Артист», «Неделя», «Новости» и многих других отечественных и иностранных газетах и журналах. В Париже вышла его книга «Музыка в России», внесшая свой вклад в распространение русской музыки в Европе. Естественно, что в своих статьях он отражал музыкальные взгляды и идейную платформу балакиревского кружка — знаменитой «Могучей кучки», членом которой он долгие годы являлся.
Активная композиторская деятельность не мешала Кюи успешно продвигаться по служебной лестнице. Он стал профессором, признанным авторитетом в фортификации, по его учебникам учились многие поколения российских офицеров. Его труды и статьи по фортификации переводили заграницей, а известные зарубежные фортификаторы состояли с ним в переписке, обсуждая новинки военно-инженерного дела.
С началом Русско-турецкой войны 1877−78 гг. Кюи по просьбе генерала Скобелева выезжал в действующую армию, участвовал в фортификационном укреплении русских позиций. При назначении в 1880 г. командующим Ахал-Текинской военной экспедицией, генерал Скобелев неоднократно советовался с Кюи по вопросам инженерного обеспечения боев в пустыне и организации коммуникационных линий. После успешного завершения операции он писал Кюи: «Я не забыл давнопрошедшее, когда был плохим Вашим учеником, не забыл позиций под Константинополем, наконец, главное, не забыл тех ценных советов, которыми в значительной степени достигнуты наши последние успехи под Геок-Тепе».
Признанием заслуг Кюи в военной сфере послужило производство его в чин инженер-генерала (соответствует генерал-полковнику) и приглашение для чтения лекций по фортификации наследнику престола (будущему императору Николаю II) и великим князьям.
Во всех сферах своей деятельности Цезарь Кюи стал признанным авторитетом, его избрали своим членом многие российские и иностранные музыкальные общества и научные академии. Даже после революции он продолжал оставаться профессором трех военных академий. Правда, служба новой власти для него продолжалась совсем недолго.
Умер Цезарь Антонович Кюи в Петрограде 26 марта 1918 года. Его похоронили на Тихвинском кладбище (современный Некрополь мастеров искусств).