Los primeros estudios los realizó en el Colegio de San Pablo, dirigido por los jesuitas. En octubre de 1759 inicia su formación en la Universidad de Valencia; en ella obtendría los títulos de Maestro en Filosofía (1762) y Doctor en Teología (1766).

De sus tiempos de estudiante universitario son primeros contactos con Vicente Blasco; de él recibió no sólo una pulcra formación jansenista, sino también el interés por el estudio de la nueva filosofía, más próxima a Newton que a Tosca.

Tras finalizar sus estudios intenta, sin éxito, opositar a cátedra en la Universidad de Valencia; desde 1770 ejercerá como preceptor de los hijos de Teodomiro Caro de Briones, con quien se trasladó a Oviedo; allí recibió la primera tonsura, el día de todos los santos de 1771, poco tiempo después, el 4 de abril de 1772 sería consagrado presbítero. La tonsura le permitiría acceder a un beneficio eclesiástico, práctica criticada entre los ilustrados españoles, pero de la que acabaría beneficiándose.

Entre 1774 y 1776 impartió Lógica en el Seminario de San Fulgencio. En enero de 1776 abandonó el Seminario murciano para viajar a Madrid; Vicente Blasco le había encontrado un nuevo acomodo en la Casa del Infantado, con la que quedó vinculado i en la que ejerció como preceptor.

Como preceptor del Infantado residió en París entre los años 1777 y 1789, un periodo de tiempo de especial importancia para entender su formación científica, primero en los gabinetes privados; luego, a partir de 1783, en el Jardin du Roi, bajo la tutela de André Thouin.

Cavanilles dedicó todo el tiempo que la educación de los hijos de la Casa del Infantado le permitía, al estudio de la Botánica. El problema planteado por Él, en la que habría de ser su primera línea de estudio botánico, la Monadelphia (París, 1785 / Madrid, 1790), es una continuación de sus estudios filosóficos: lo que le preocupa es definir la "esencia" de las realidades que estudia. Su formación nominalista, le llevan a considerar las categorías genéricas, y las superiores, como construcciones del pensamiento, no como realidades de la naturaleza, nada más alejado de los sistemas clasificatorios defendidos por la escuela botánica francesa, quien, pese a ello, siempre le prestó la ayuda técnica precisa para que sus trabajos llegaran a término.

A comienzos de septiembre de 1789, Cavanilles regresa a Madrid. El valenciano se integra pronto en la vida cortesana, bien dirigido por su amigo Antonio Franseri, médico de la Casa del Infantado. Será recibido en la Real Academia de Medicina en los inicios de 1790. De la mano del marqués de Santa Cruz se introducirá en las casas de la nobleza, convirtiéndose en tertuliano habitual de las de Montijo, Urquijo y Aranda.

Desde el otoño de 1789, y pese a la firme oposición de los catedráticos del Real Jardín, dispone del permiso expreso del de Floridablanca para que "dibuje, grave y publique" cuanto quiera de lo sembrado en el Jardín madrileño; con tales novedades iniciará una nueva serie botánica: los Icones et descriptiones plantarum quae aut sponte in Hispania crescunt, aut in Hortis Hospitantur (Madrid, 1791-1801. 6 vols.) de cuya edición se cuidó la propia Imprenta Real.

Entre la primavera de 1791 y el verano de 1793 emprenderá, por decisión regia, diversas excursiones por el Reino de Valencia; sus resultados serán impresos en los dos volúmenes que constituyen sus, Observaciones sobre... el Reyno de Valencia (Madrid, 1795, 1797). Aportar una información objetiva sobre la descripción del medio físico, con especial cuidado hacia la vegetación, la presencia poblacional y los recursos económicos, con predilección hacia la explotación agraria, incluirá sus comentaros sobre las mejoras que pudieran introducirse, sostenidas por un pensamiento de base fisiocrática.

El problema del cultivo del arroz que preocupó mucho a Cavanilles se inscribe dentro de la polémica en torno a la relación entre este cultivo y las epidemias de tercianas vivida por la sociedad valenciana del siglo XVIII.

Desarrolló una producción botánica de excepcional calidad, en la que se manifiesta como seguidor de las teorías clasificatorias linneanas.

Con Mariano Luis de Urquijo en el poder desde febrero de 1799, Cavanilles cumple un gran deseo: editar na revista científica, la cual también co-dirige, Los Anales de Historia Natural (1799-1804), en la que se conjuga ciencia y gloria.

1801, Ocupa la dirección del Real Jardín de Madrid, con la cual se inicia un florecimiento del mismo.

En julio de 1803 consiguió el plácet regio para poner bajo su único control la enseñanza de la Botánica en todo el territorio de la Monarquía, sólo quienes hubieran asistido a las clases de Antonio José Cavanilles podrían optar a las cátedras de Botánica convocadas en los dominios de S.M.

Llego a ser abate. Y desde 1801, Prior de las Ermitas de Sevilla.