Nacido en 1666 -año de nacimiento más fiable que 1664 reportado por los léxicos, fue llamado romano por sus contemporáneos, pero más probablemente nació en la provincia de Urbino. El retrato hecho por P. Ghezzi a Cesarini en 1740 está etiquetado 'Carlo Cesarini de Urbino'. Una confirmación del origen urbinés de Cesarini es la frase 'di S. Martino' o 'di Terra S. Martino', que aparece en varios actos en relación con su familia. En efecto, existe un San Martino en el municipio de Sassocorvaro en la provincia de Urbino. Su virtuosismo en el violín le valió el sobrenombre de ‘Carlo del Violino’.

Frontispicio de la edición del oratorio "Il sagrifizio d'Isacco" de Carlo Francesco Cesarini - 1719

La más antigua de sus muchas obras escénicas con textos del Cardenal Benedetto Pamphili podría ser una cantata dramática de 1688 que es atribuida tentativamente a él. En julio de 1690 era director de la Academia musical del cardenal Benedetto Pamphili; es mencionado como 'caballero' desde noviembre de 1690, después de lo cual sirvió como maestro di cappella de Pamphili. Desde el otoño de 1690 hasta el otoño de 1693, siguió al cardenal cuando este fue enviado a Bolonia como legado pontificio.

Estuvo activo en la Pietà dei Fiorentini, el oratorio de San Marcelo y la iglesia de Gesù. En esta última fue nombrado maestro di cappella a partir del 1 de septiembre de 1704, en sustitución de Giovanni Battista Giansetti que desempeñó estas funciones desde 1675, con la provisión de 56 escudos y 90 baiocchi (moneda de 12 denarios) al año por las funciones ocasionales y 8 escudos al mes por las permanentes. Entonces la provisión para las funciones ocasionales fue llevada a 77 coronas al año. Fue miembro de la Congregazione de músicos de Santa Cecilia desde el 22 de septiembre de 1706 al 5 de octubre de 1731. En 1711 sirvió como guardiano de los maestri de la Congregazione, y dirigió (y quizás compuso) una misa para esta en 1719.

Casado con Leandra Canuti, romana, tuvieron cuatro hijos: Maria, que murió de cuatro años, Theresia, Margherita y Urbano, que murió de tres años. En contacto con la mejor aristocracia romana -estuvieron presentes en el bautismo de sus hijas, además de los Pamphili, la princesa Borghese y el príncipe Ruspoli- Cesarini tuvo que alcanzar un alto nivel económico como demuestran los actos de donación de 1735 en favor de sus hijas casadas en 1729 y en 1731, que lo ven dueño de seis almacenes situados entre Borgo Pio y la actual avenida Vittorio. El 13 de febrero de 1740 se fue a Nápoles, pero en 1741 lo encontramos de nuevo en Roma.

Edición discográfica de "Cantatas" de Carlo Francesco Cesarini

Dejó de ser maestro di cappella de la iglesia del Gesù el 31 de agosto de 1741, cuando, renunciando por razones de salud, fue sustituido por Gaetano Carpani, uno de los maestros de Muzio Clementi. En el acuerdo firmado el 29 de agosto de 1741 entre el prefecto de la iglesia del Gesù Carlo Senepa y Cesarini se puso de manifiesto la excelencia de la música del compositor 'tan poco frecuente de escucharse de otros profesores en estos tiempos', tanto es así que el Cesarini 'se obliga a dejar o permitir copiar todas sus hojas de música, que el P. Prefecto juzgará, sin exceptuar ninguna'. A la luz de esta clara evaluación de la calidad de Cesarini, parece cada vez más extraño cómo es posible que la sin duda abundante producción instrumental se haya perdido casi por completo. La única explicación podría ser que las composiciones instrumentales religiosas de Cesarini hayan permanecido olvidadas en la iglesia de Gesù y luego se hayan dispersado en los acontecimientos que siguieron a la supresión de la Compañía. En otras palabras, fue un compositor dotado que mantuvo la textura contrapuntística del estilo medio-barroco. Sus composiciones fueron casi todas para la iglesia y el oratorio o para actuaciones privadas. De hecho, su única obra para un teatro público fue un acto de la ópera "Clearco in Negroponte" (1695). Ghezzi dibujó una excelente caricatura suya. Sus melifluas cantatas, fechadas entre 1690 y 1718, deben haber sido muy apreciadas; se conocen más de 80 incipits, y por lo menos 55 existen.

Los documentos relativos a la renuncia de Cesarini como maestro di cappella de la Iglesia de Gesù todavía lo vieron vivo el 2 de septiembre de 1741. Después de esta fecha no se ha encontrado otra evidencia de la presencia de Cesarini en Roma, donde probablemente murió unos años más tarde.