Родился 17 июня 1818 г. в пригороде Парижа. Его отец - Франсуа Луи Гуно, художник, преподаватель литографии, профессор Политехнической школы. Мать - Виктория (урожденная Леманшуа), пианистка, после смерти мужа в 1823 г. давала частные уроки музыки и литографии.
В 1829-1830 гг. Шарль Гуно учился в лицее Сен-Луи, был солистом церковного хора. Изучал теорию музыки у педагога, композитора Антонина Рейха.
В 1838 г. поступил в Парижскую консерваторию, где обучался у Фроманталя Галеви, Жан-Франсуа Лесюёра (Лесюэр) и Фердинандо Паэра. В 1839 г. был удостоен Римской премии за сочинение кантаты "Фернан", что позволило молодому композитору на правах стипендиата уехать в Рим. В 1840-1843 гг. он изучал в Италии музыку позднего Возрождения, в т. ч. творчество Джованни да Палестрина. Из Рима отправился в Вену, затем посетил Прагу, Дрезден, Берлин и Лейпциг, где встречался с Феликсом Мендельсоном (Гуно был дружен с сестрой Мендельсона пианисткой Фанни Хензель).
Увлечение духовной музыкой и знакомство с отцом Лакордером - проповедником, прибывшим в Рим для восстановления ордена доминиканцев, привели Шарля Гуно к решению принять духовный сан. После возвращения в Париж в мае 1843 г. он стал органистом и регентом в церкви Иностранных миссий. В 1846 г. он поступил в семинарию Сен-Сюльпис, жил в кармелитском монастыре, изучал сравнительную историю религий.
В 1847 г. Гуно отказался от идеи посвятить себя церкви. В 1851 г. в Парижской опере ("Гранд-Опера"; Opera de Paris, Grand Opera,) состоялась премьера его первой оперы "Сафо" на либретто Эмиля Ожье, заглавную роль в которой исполнила Полина Виардо. Однако постановка успеха не имела, несмотря на благоприятные отзывы композитора Гектора Берлиоза.
В 1852 г. Шарль Гуно вступил в брак с Анной-Марией Циммерман (1839-1907), дочерью профессора Парижской консерватории. Вскоре после этого Гуно был назначен директором хорового общества "Орфеон", объединявшего любительские хоры парижских предместий. Одновременно с 1853 г. руководил певческими классами в муниципальных школах. Занимал должности до 1860 г. В эти годы создал ряд хоровых произведений, включая "Мессу для хористов" и трагедию с хорами "Улисс", поставленную Жаком Оффенбахом, написал также торжественную мессу в честь св. Цецилии, оркестровую версию "Аве Мария" Иоганна Себастьяна Баха и др.
В 1854 г. Гуно поставил на сцене Лирического театра (Theatre Lyrique) оперу "Окровавленная монахиня", созданную по роману "Монах" Мэтью Грегори Льюиса, однако постановка вновь не принесла композитору успех. Он начал работать над оперой по трагедии Иоганна Гёте "Фауст", но вскоре был вынужден оказаться от этой идеи: дирекция Лирического театра заказала композитору произведение по пьесе Жан-Батиста Мольера. Из-за нервного напряжения Шарль Гуно оказался в клинике. Несмотря на болезнь, музыкант смог выполнить заказ, и в 1858 г. состоялась премьера его комической оперы "Лекарь поневоле". Спустя год была представлена и опера "Фауст", в основу которой легла первая часть одноименной трагедии, авторами либретто стали Жюль Барбье и Мишель Карре. После закрытия Лирического театра опера в 1869 г. была представлена на сцене "Гранд-Опера" в переработанном виде: композитор заменил разговорные диалоги мелодическим речетативом и ввел балетную сцену "Вальпургиева ночь". Философское содержание литературного первоисточника отошло на второй план, основной сюжет был построен вокруг любовной драмы. По мнению критиков, "Фауст" Гуно положил начало новому жанру во французском искусстве - лирической опере. "Фауст" стал рекордсменом по числу представлений в "Гранд-Опера": в 1894 г. на сцене театра состоялось тысячное представление.
Те же художественные принципы - психологизм, использование жанрово-бытовых сцен, мелодика городского фольклора - композитор впоследствии применил в "Царице Савской" (1861), "Мирейль" (1864) и др. произведениях. В 1867 г. в Париже была представлена опера Гуно "Ромео и Джульетта" по произведению Уильяма Шекспира (либретто - Жюль Барбье и Мишель Карре), которая, как и "Фауст", до сих пор идет на ведущих сценах мира. Всего Шарлем Гуно было создано 14 опер, из них две не окончены.
В 1870 г. с началом франко-прусской войны вместе с семьей уехал в Англию. К Международной выставке 1871 г. он написал ораторию "Галлия" (Gallia), для исполнения которой был создан специальный хор (впоследствии - Королевское хоровое общество). В 1881 и 1884 гг. композитор создал оратории "Искупление" (La Redemption; первое исполнение в 1882 г.) и "Смерть и жизнь" (Mors et vita; 1885 г.). Вернувшись в 1875 г. во Францию, сосредоточился на сочинении духовной музыки, литературном творчестве и публицистике. Стал автором книги "Дон Жуан" Моцарта", своей автобиографии, предисловия к изданию писем Гектора Берлиоза и др. В 1890 г. Гуно планировал создание "музыкального диптиха" о житие святого Франциска Ассизского, но эта идея осталась нереализованной.
Последние годы жизни провел в семейном имении Сен-Клу под Парижем. Учеником Гуно был будущий композитор и дирижер Анри Бюссё.
Среди произведений Гуно: кантата "Мария Стюарт и Риччио" (1837), "Меcca в память Жанны д'Арк" (1887), симфонии 1854 и 1855 гг., "Римский марш" (1872), 45 фортепианных пьес, включая вальсы, марши, серенады, скерцо и др., "Четырнадцать больших хоров" (1884), хоры "Стрекоза и муравей", "Ворона и лисица" на басни Жана де Лафонтена (1856, 1857), более 200 романсов и песен, в том числе на стихи Пьера Жана Беранже, Виктора Гюго, Александра Дюма-сына, Альфреда де Мюссе и др.
Шарль Гуно скончался 18 октября 1893 г. в Сен-Клу. Похоронен на парижском кладбище Отой.
Награжден орденом Почетного легиона (1888).
Был членом Института Франции.