Ya de pequeño, y gracias al influjo de su madre, María Antonia Ripoll, era un lector insaciable, lo que se traducía en un rendimiento escolar muy alto. Se inició en sus estudios de Segunda Enseñanza en el Instituto de Alicante en 1845. Estudió Derecho y Filosofía en la Universidad de Madrid, junto con hombres que serán sus adversarios políticos más tarde como Antonio Cánovas del Castillo, se licenció en Derecho a los veinte años e hizo el doctorado un año más tarde (1853-54), y obtuvo una cátedra de Historia Filosófica y Crítica de España (1857). Durante el tiempo de sus estudios pudo colaborar con la Escuela Normal de Filosofía lo que le permitió ayudar a salvar las penurias de su familia.
Defendía un republicanismo democrático y liberal, que le enfrentaba a la tendencia más socializante de Pi y Margall. Desde esas posiciones luchó tenazmente contra el régimen de Isabel II, llegando a criticar directamente la conducta de la reina en su artículo El rasgo (1865). En represalia por aquel escrito fue cesado de su cátedra de Historia Crítica y Filosófica de España en la Universidad Central de Madrid que ocupaba desde 1857, provocando revueltas estudiantiles y de profesores contra su cese que fueron reprimidas por el gobierno de forma sangrienta en lo que se denominó la «Noche de San Daniel» el 10 de abril de 1865. El gobierno de Ramón María Narváez dimite y lo sustituye Leopoldo O'Donnell que restituirá la cátedra a Castelar. Más tarde intervino en la frustrada insurrección del Cuartel de San Gil de 1866, y fue condenado a garrote vil pero consiguió huir a Francia en un exilio de dos años.
Participó en la Revolución de 1868 que destronó a Isabel II, pero no consiguió que condujera a la proclamación de la República. Fue diputado en las inmediatas Cortes constituyentes, en las que destacó por su capacidad oratoria, especialmente a raíz de su defensa de la libertad de cultos (1869). Siguió defendiendo la opción republicana dentro y fuera de las Cortes hasta que la abdicación de Amadeo de Saboya provocó la proclamación de la Primera República Española (1873).
Durante el primer gobierno republicano, presidido por Estanislao Figueras, ocupó la cartera de Estado, desde la que adoptó medidas como la eliminación de los títulos nobiliarios o la abolición de la esclavitud en Puerto Rico. Pero el régimen por el que tanto había luchado se descomponía rápidamente, desgarrado por las disensiones ideológicas entre sus líderes, aislado por la hostilidad de la Iglesia, la nobleza, el ejército y las clases acomodadas, y acosado por la insurrección cantonal, la reanudación de la guerra carlista y el recrudecimiento de la rebelión independentista en Cuba. La Presidencia fue pasando de mano en mano —de Figueras a Pi y Margall en junio y de éste a Salmerón en julio— hasta que en septiembre, las Cortes Constituyentes le nombraron Presidente del Poder Ejecutivo de la República
Para tratar de salvar el régimen disolvió las Cortes, movilizó hombres y recursos y encargó el mando de las operaciones a militares profesionales, aunque de dudosa fidelidad a la República. Cuando se reanudaron las sesiones de Cortes a comienzos de 1874, Castelar presentó su dimisión el 3 de enero tras perder una votación parlamentaria mientras se votaba el nombramiento del nuevo presidente del poder ejecutivo, que iba siendo favorable a Eduardo Palanca Asensi, el general Pavía dio un golpe de Estado y disolvió las Cortes. A Castelar se le ofreció formar gobierno, pero éste rechazó; finalmente fue el general Serrano quien aceptó ser presidente del Poder Ejecutivo
Liquidada así la Primera República, el pronunciamiento de Martínez Campos vino a restablecer la Monarquía proclamando rey a Alfonso XII. Castelar se exilia en París. Tras regresar de un largo viaje, Castelar ingresó en la Real Academia Española y en la Real Academia de la Historia y volvió a la política, encarnando en las Cortes de la Restauración la opción de los republicanos «posibilistas» que aspiraban a democratizar el régimen desde dentro. Cuando en los años noventa se aprobaron las leyes del jurado y del sufragio universal, Castelar se retiró de la vida política, aconsejando a sus partidarios la integración en el Partido Liberal de Sagasta (1893).
“El ritmo poderoso de sus discursos, la rica imaginería que los vestía suntuosamente, la reiteración que martilleaba una y otra vez el mismo argumento en el auditorio, no podían menos que recordar a sus modelos: los retóricos romanos, los oradores de la revolución francesa. Y con todo, esas largas batallas verbales que llenaban el tiempo y los bancos de las cortes, que el pueblo comentaba en los cafés y en la calle, constituían una especie de gran teatro.”
“El que hablara Castelar en las Cortes se anunciaba en la prensa exactamente igual que si se tratara de la actuación de un famoso cantante de opera. Y él se cuidaba la voz con la misma protección que la usada por un tenor. Jamás fumaba, y tomaba una alimentación adecuada a mantener su garganta en perfecto estado de conservación.” (Llorca 1966: 139)
