Friedrich wurde 1774 als sechstes von zehn Kindern des Lichtgießers und Seifensieders Adolph Gottlieb Friedrich und seiner Ehefrau Sophie Dorothea Friedrich, geborene Bechly († 7. März 1781), in dem von 1630 bis 1815 zu Schweden gehörenden Greifswald geboren. Beide Elternteile stammten aus der vorpommerschen Stadt Neubrandenburg, welche Friedrich später mehrfach besuchte. Friedrich selbst besaß sein gesamtes Leben die schwedische Staatsbürgerschaft. Beim Versuch, den beim Schlittschuhlaufen im Eis eingebrochenen Caspar David zu retten, ertrank sein um ein Jahr jüngerer Bruder Johann Christoffer am 8. Dezember 1787. Ein anderer Bruder verstarb bereits vor Friedrichs Geburt als Säugling, zwei weitere Geschwister dann in Friedrichs Jugendjahren. Am 27. Mai 1791 starb seine Schwester Maria an Fleckfieber (Flecktyphus).
Im Jahr 1790 erhielt Friedrich seinen ersten Zeichenunterricht beim Greifswalder Universitätsbau- und Zeichenmeister Johann Gottfried Quistorp, der auf den jungen Friedrich wohl seine Begeisterung für die Landschaft seiner Heimat und ihre Schönheit übertrug.
Die Königlich Dänische Kunstakademie in Kopenhagen, welche damals als modernste Akademie galt, wurde 1794 die nächste Etappe seiner künstlerischen Ausbildung, bei der er das Zeichnen nach Freihandzeichnen und ab 3. Oktober 1796 nach Gipsabgüssen, von seinen Lehrern Jens Juel, Nicolai Abildgaard und Christian August Lorentzen erlernte. Malerei wurde in Kopenhagen nicht unterrichtet. Am 2. Januar 1798 wurde er aus der Freihandzeichenklasse in die Gipsklasse versetzt.[1]
Die nächste Station seines Lebens wurde ab Oktober 1798 Dresden, an der dortigen Akademie schloss er seine Studien ab. In den Sommermonaten 1801 und 1802 reiste er in seine Geburtsstadt und weiter zu der nahegelegenen Insel Rügen. Bei ausgedehnten Wanderungen entstand ein Fundus an Skizzen, auf die er später immer wieder zurückgriff.
Friedrich gehörte der Generation der ersten freien Künstler an, die nicht als Auftragsmaler, Professoren einer fürstlichen Akademie oder protegierte Freunde eines reichen Gönners tätig waren, sondern sich auf dem freien Markt von Galerien bewegten und durch den Verkauf ihrer Werke ein wirtschaftliches Auskommen fanden.
Ab 1803 beschäftigte er sich mit der Sepiatechnik, in der Landschaftszeichnungen im Stil der damals in Mode befindlichen Landschaftsarchitektur entstanden.
Friedrich war u. a. mit den Malern G. F. Kersting und J. C. C. Dahl befreundet, ab 1817 auch mit C. G. Carus. Zu seinen Bewunderern zählten ab 1820 der spätere russische Kaiser Nikolaus I. sowie der russische Dichter W. A. Schukowski, deren gelegentliche Ankäufe den Künstler vor bitterster Not bewahrten.
1818 heiratete Caspar David Friedrich 44-jährig die 25-jährige Christiane Caroline Bommer, mit der er drei gemeinsame Kinder hatte: die beiden Töchter Emma und Agnes Adelheid sowie den Sohn Gustav Adolf. In seinem Gemälde „Frau am Fenster“ (1822) stand seine Frau ihm Modell für eines seiner „Rückenbilder“. Gustav Adolf malte ebenfalls, erreichte den Erfolg seines Vaters allerdings nicht.
Nach einem Schlaganfall im Jahr 1835 musste Friedrich das Malen einstellen. Er starb 65-jährig am 7. Mai 1840 in Dresden und wurde auf dem Trinitatisfriedhof beigesetzt.