Tízgyerekes firenzei családban látta meg a napvilágot Carlo Lorenzini néven. Apja szakács, anyja szolgálólány volt. Gyermek- és ifjúkorának jó részét anyja szülőfalujában, Collodiban töltötte, innen ered későbbi írói névválasztása.

Egyházi iskolában tanult, de az olasz egységért folytatott küzdelem eltérítette a papi hivatástól, az 1848-as forradalom több csatájában is részt vett önkéntesként. Ugyanebben az évben Il Lampione címmel szatirikus politikai folyóiratot indított, amely a cenzúra nyomására egy év múlva megszűnt. Következő lapja, a La Scaramuccia már szerencsésebb volt, folyamatosan megjelenhetett, és 1860-ban az Il Lampionét is újraindította.

Az Olasz Királyság létrejötte után, 1861-ben felhagyott a publicisztikai és politikai tevékenységgel, egy ideig a firenzei prefektúrán a színházi cenzori bizottság tagja volt. Közben írt négy vígjátékot és két regényt is, de ezek nem arattak különösebb sikert. Az 1870-es évek közepétől érdeklődése a gyermekirodalom felé fordult, noha nem voltak gyerekei, és még csak meg sem nősült soha. A francia Charles Perrault örökbecsű meséit (Piroska és a farkas, Csipkerózsika, Csizmás Kandúr) ültette át olaszra, majd hamarosan a maga teremtette mesefigurákkal bűvölte el közönségét. 1876-ban jelentek meg a Giannettino, majd két évvel később a Minuzzolo című kötetei, amelyek két vásott csibész kalandjait elevenítették meg sok humorral és emberséggel.

1881-től a Giornale per i bambini című gyermekújság kezdte folytatásokban közölni a Storia di un burattino (Egy bábu története) című művét. A mű főhőse Pinokkió, az életre kelt fabábu, aki csibészsége, önfejűsége, engedetlensége miatt keveredik számos keserves kalandba. Végül aztán saját kárán okulva megtanulja, mit jelent embernek lenni: dolgozni, szenvedni, szeretni, és a mese végére igazi hús-vér kisfiúvá válik megalkotója, az idős Geppetto mester legnagyobb örömére. A mű már az első részektől óriási siker volt, és csakhamar népszerűvé tette alkotóját, jóllehet az egyház eleinte felemelte szavát a mese ellen, mondván, a lázadás szellemét közvetíti a gyanútlan ifjú olvasók felé. 1883-ban könyv alakban is megjelent a mű Pinokkió kalandjai címmel, Eugenio Mazzanti illusztrációival. 1892-ben angolra is lefordították, és a fabábu története megkezdte világhódító útját, magyarra Rónay György fordította le.

Mindezt Collodi már nem érhette meg, 1890. október 26-án szülővárosában meghalt. Testét a San Miniato al Monte-templomban helyezték örök nyugalomra.

Pinokkió kalandos életéből készült már színpadi változat, némafilm, 1940-ben Walt Disney álmodta vászonra, így lett belőle minden idők egyik legsikeresebb rajzfilmje. 1971-ben hatrészes tévéfilmsorozatot forgattak a regény alapján, amelynek egyik főszerepét Gina Lollobrogida játszotta. 2002-ben az Oscar-díjas Roberto Benigni vitte filmre, és a főszerepet is eljátszotta, abban a hegyes sipkás, virágos, papírtapéta-mintázatú bohócruhában, amelyet még Fellini tervezett meg a filmhez. Pinokkió története alapján írta meg Alekszej Tolsztoj is az Aranykulcsocska, avagy Burattino története című meséjét.