Carlo Lorenzini néven látta meg a napvilágot Firenzében 1826. november 24-én. 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; 1848-ban Curtatone és Montanara mellett harcolt önkéntes csoportokban. Ugyanebben az évben Il Lampione címmel megindította szatirikus politikai folyóiratát, amely azonban - a cenzúra nyomására - egy év múlva megszűnt. Következő lapja, a La Scaramuccia már szerencsésebb volt, folyamatosan megjelenhetett, és 1860-ban az Il Lampionét is újra indította.

Az Olasz Királyság létrejötte után, 1861-ben felhagyott a publicisztikai és a politikai tevékenységgel, és 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, annak ellenére, hogy nem voltak gyerekei, és soha meg sem nősült. Eleinte 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 Gianettino, majd két évvel később a Minuzzolo című kötetei, amelyek két vásott csibész kalandjait elevenítették meg sok humorral és emberséggel.

1881-től a Giornale dei bambini című gyermekújság kezdte folytatásokban közölni a Storia di un burattino (Egy bábu története) című művét, amelynek főhőse Pinokkió, az életre kelt fabábu, aki csibészségéből, önfejűségéből, engedetlenségéből eredően számos keserves kaland árán végül megtanulja, mit jelent embernek lenni: dolgozni, szenvedni, szeretni. A mese végére igazi hús-vér kisfiúvá válik megalkotója, az idős Gepetto mester legnagyobb örömére. A mű már az első részektől óriási siker volt, és hamar népszerűvé tette alkotóját, ám 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.

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

Pinokkió kalandos életéből készült némafilm, 1940-ben pedig Walt Disney álmodta vászonra, és lett belőle minden idők egyik legsikeresebb rajzfilmje. 1971-ben hatrészes tévéfilmsorozatot forgattak belőle, 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 az Aranykulcsocska, avagy Burattino története című meséjét.