Az 1908. augusztus 22-én a Párizshoz közeli Chanteloup-en-Brie-ben született Cartier-Bresson vagyonos család sarjaként a legjobb párizsi és angliai iskolákba járhatott. A festészet iránt érdeklődött és már középiskolásként a kubista André Lhote tanítványa volt.
Kétéves cambridge-i tartózkodás után szakított a festészettel, érdeklődése a realista fotográfia – „Fényképezd úgy a dolgokat, amilyennek látod!" − felé fordult, elsősorban a kolozsvári születésű Munkácsi Márton hatására. „Az ő képei láttán rájöttem, hogy a fénykép megmutathatja a pillanat örökkévalóságát" − írta később.
Életében új korszak kezdődött. Első fotóját 1926-ban a dieppe-i strandon készítette Brownie Box készülékével, később szert tett egy 50 milliméteres Leicára. Berlin, Brüsszel, Varsó, Prága, Budapest és Madrid utcáit rótta, kis gépével észrevétlen maradhatott, a felvételein szereplők sokszor nem is voltak annak tudatában, hogy megörökítették őket.
Első kiállítását 1932-ben nyitották meg New Yorkban, majd Madrid és Mexikóváros következett. A harmincas években kötött barátságot a szintén magyar származású fotográfussal, Robert Capával. Capa hatására szürrealista látásmódját felváltotta a fotóriporter világszemlélete.
1937-től a híres filmrendező, Jean Renoir mellett is dolgozott világosítóként.
A második világháború idején többször is német fogságba esett, de mindannyiszor megszökött. Akkoriban a francia kommunista párthoz kötődött, később a buddhizmus tanításaiban mélyedt el.
1947-ben Robert Capával, David „Chim" Seymourral és George Rodgerrel megalapította a Magnum fotóügynökséget, amely mind a mai napig meghatározó a világ sajtófotójában.
Legendába hajló visszaemlékezése szerint a cég megalapítása előtt olyan parázs vitákat folytattak a párizsi Dome kávéházban, hogy az összetört csészék nagyobb összeget tettek ki, mint jelentéktelennek éppen nem nevezhető italfogyasztásuk.
Cartier-Bresson a 20. század meghatározó személyiségeit és pillanatait kapta lencsevégre. Megörökítette a Joliot-Curie házaspárt, az író Truman Capote-t, ott volt Mao Ce-tung seregének pekingi bevonulásánál, Mahatma Gandhi temetésén − Gandhit a merénylet előtt húsz perccel még lencsevégre kapta −, fényképezőgépével tanúja volt az 1968-as párizsi diáklázadásoknak.