Fils de Lucien Bonaparte, et à ce titre neveu de Napoléon, Charles Lucien entre en relation avec André Marie Constant Duméril qui est directeur du Muséum d’histoire naturelle, puis avec son fils Auguste, dans les années 1850.

En 1804, sa famille se rend à Rome pour se mettre sous la protection du pape. C'est dans ce pays que le jeune Charles découvre l'histoire naturelle et particulièrement l'ornithologie dont il devient un spécialiste reconnu. Il épouse à Bruxelles, le 29 juin 1822, sa cousine Zénaïde Bonaparte, fille de Joseph Bonaparte ; ils ont trois fils : Joseph-Lucien Bonaparte, Lucien-Louis Bonaparte et Napoléon-Charles Bonaparte.

Charles Lucien Bonaparte part s'installer aux États-Unis où vit déjà son père. De 1823 à 1826, il participe activement à la vie de la communauté scientifique de Philadelphie où il publie plusieurs ouvrages, dont American Ornithology (4 volumes, 1825) et Ornithology of the North America (1826). Lors de son séjour à Rome, il avait commencé une étude des vertébrés d'Italie. Il la termine et la publie de 1832 à 1841 sous le titre d’Iconografia della Fauna Italica. Il publie également Ornithologie comparée de Rome et de Philadelphie (Rome, 1828), Classification des animaux vertébrés (1831) et Faune italienne (1833-1841) tous écrits en italien.

À la mort de son père en 1840, il hérite du titre de prince de Canino. Ses idées démocratiques, sans doute renforcées par son expérience à Philadelphie, lui font prendre une part active dans l'insurrection romaine de 1847-1849. Il devient le vice-président du conseil législatif mais la défaite des républicains suite à l'expédition française le force à partir en exil en 1849, d'abord à Leyde puis, en 1850, à Paris.

Il devient correspondant de l'Institut de France. Il découvre et nomme de nombreuses espèces : il crée notamment l'ordre des monotrèmes. Plusieurs espèces d'oiseaux portent son nom.