Chào đời tại Luân Đôn nước Anh, Castelnau từ nhỏ đã có niềm say mê với thiên nhiên nên khi lớn lên ông cố gắng đến Paris để theo đuổi việc học hành và nghiên cứu lịch sử tự nhiên. Từ năm 1837 đến năm 1841, ông thường hay đi du lịch ở nước Mỹ, Texas và Canada. Ông có đến thăm miền Trung bang Florida từ tháng 11 năm 1837 cho đến tháng 3 năm 1838, xuất bản công trình "Essai sur la Floride du Milieu" vào năm 1843. Tại Canada, ông lao đầu vào việc nghiên cứu hệ động vật của các hồ Canada và hệ thống sông ngòi ở Thượng và Hạ Canada (tương ứng với các tỉnh Ontario và Quebec ngày nay) và của Mỹ.[5][6]

Vua Pháp Louis Philippe biết đến Castelnau trong vai trò là nhà bác học nổi tiếng trong giới nghiên cứu tự nhiên học nên vào năm 1843 đã phái ông tháp tùng cùng với hai nhà thực vật học và một nhà phân loại học trong chuyến thám hiểm vượt qua Nam Mỹ từ Rio de Janeiro tới Lima, theo đường phân thủy giữa hệ thống sông Amazon và sông La Plata, và từ đó đặt chân đến Pará. Ông bỏ ra khoảng thời gian năm năm liền chu du trong chuyến thám hiểm kéo dài đến tận năm 1847.[5] Nhân dịp này, ông cũng tự mình thu thập danh sách từ ngữ của nhiều ngôn ngữ bản địa Nam Mỹ, bao gồm cả thứ tiếng Bororoan[7] và tiếng Guachi.[8]

Năm 1856-1857, ông đến thăm Mũi Hảo Vọng, đi xa về phía đông đến tận Vịnh Algoa, và sau đó bỏ công sức viết nên chuyên luận về loài cá Nam Phi (1861).[9]

Ông từng có thời kỳ đảm nhiệm chức công sứ Pháp tại Bahia năm 1848; ở Xiêm vào khoảng từ năm 1856 đến năm 1858, và ở Melbourne, Úc từ năm 1864 đến năm 1877.[5]