Cao Quang Ánh sinh tại Sài Gòn, Việt Nam Cộng hòa, là con thứ 5 trong một gia đình Công giáo có tám người con[8]. Khi ông 8 tuổi, ông cùng một người chị và một người em trai rời Việt Nam đến Hoa Kỳ[9] vài ngày trước khi Sài Gòn thất thủ. Sau sự kiện 30 tháng 4 năm 1975, cha ông, một sĩ quan trong Quân lực Việt Nam Cộng hòa, bị chính quyền Cộng sản bắt đi "học tập cải tạo" 6 năm[10]. Sau đó, ông sống ở Houston, Texas và tốt nghiệp trung học Jersey Village. Năm 1990, ông nhận bằng cử nhân khoa học (Bachelor of Science) ngành vật lý tại Đại học Baylor[8].

Sau khi tốt nghiệp đại học, ông gia nhập Dòng Tên và đến một chủng viện ở Louisiana để học làm linh mục. Trong hai năm đầu ông được phái đi tham gia các hoạt động nhân đạo tại nhiều nơi trên thế giới. Năm 1992, ông đến New Orleans để tiếp tục tu nghiệp. Sau đó, ông được nhận vào Đại học Fordham ở New York, và nhận bằng cao học nghệ thuật (Master of Fine Arts) về triết học vào năm 1995.

Trở về New Orleans, ông làm giảng viên môn triết học và đạo đức tại Đại học Loyola. Sau đó ông rời Dòng Tên và chuyển đến Virginia để dạy tại một trường Công giáo. Ông tham gia trong tổ chức thiện nguyện Boat People S.O.S. (tổ chức giúp đỡ các thuyền nhân Việt Nam) và là thành viên trong ban quản lý của tổ chức từ năm 1996 đến 2002. Năm 1997 ông về New Orleans lại để học luật tại Trường luật Loyola và tiếp tục dạy môn triết học tại Loyola trong năm 1998. Năm 2000, ông nhận bằng tiến sĩ luật (Juris Doctorate) và tham gia trong tổ hợp luật sư Waltzer & Associates. Ông rời tổ hợp luật sư và trở thành luật sư cho Boat People S.O.S.

Năm 2002, ông mở văn phòng luật sư riêng. Ông là một thành viên trong Hội đồng Cố vấn Quốc gia cho Hội đồng Giám mục Hoa Kỳ. Ông kết hôn với bà Kate Hoàng Phương Hiếu và có hai người con gái là Sophia và Betsy.