Carême est né à Paris, mais a été abandonné en 1792 car ses parents étaient très pauvres. Il travaille comme garçon de cuisine dans un café parisien bon marché en échange d’une chambre et de la nourriture. En 1798, il a été mis en apprentissage chez Sylvain Bailly, un célèbre pâtissier ayant une boutique près du Palais-Royal.
Carême est devenu célèbre à Paris pour ses centres de table de gâteaux, que Bailly mettait en vitrine de la pâtisserie. Les centres de table faisaient parfois plusieurs pieds de haut, et étaient uniquement composés de produits alimentaires tels que le sucre, la pâte d’amande et la pâtisserie. Il les modelait sur des temples, des pyramides et des ruines antiques qu’il lisait dans les livres qu’il étudiait à la Bibliothéque Nationale. Certaines de ses œuvres en sucre étaient si fortes que les bouffons de la cour pouvaient danser dessus pour divertir le roi.
Carême a également travaillé pour d’autres personnes, par exemple le diplomate et gourmand français Charles Maurice de Talleyrand-Périgord, et d’autres membres de la haute société parisienne, dont Napoléon. Lorsqu’il travaillait dans les cuisines privées, il apprenait rapidement les plats principaux.
Napoléon n’était pas intéressé par une nourriture fantaisiste, mais il connaissait les contacts sociaux qui étaient importants pour les diplomates. En 1804, il a donné à Talleyrand de l’argent pour acheter le château de Valençay. Lorsque Talleyrand s’y installe, il emmène Carême avec lui.
Carême se voit imposer un test par Talleyrand : il doit créer des menus pour une année entière, sans les répéter, et n’utiliser que des aliments de saison. Carême réussit l’épreuve et termine sa formation dans les cuisines de Talleyrand. Après la défaite de Napoléon, Carême se rend à Londres pour un temps et sert de chef de cuisine au Prince Régent, qui deviendra George IV. Il retourne en Europe pour travailler pour le tsar Alexandre Ier à Saint-Pétersbourg, avant de revenir à Paris, où il est chef de cuisine du banquier James Mayer Rothschild.
Il meurt à Paris à l’âge de 48 ans, et est enterré au cimetière de Montmartre.