Из дворян. Окончил юридический факультет Московского университета (1839), где в 1844 г. защитил магистерскую диссертацию и затем преподавал на кафедре истории русского законодательства. В своих статьях 1846—1847 гг. сформулировал основные принципы государственного направления («государственной школы») в русской историографии. Статья Кавелина «Взгляд на юридический быт древней России» («Современник», 1847) стала, по словам Белинского, «эпохой в истории русской истории, с нее начнется философическое изучение нашей истории». С 1857 г. работал на кафедре гражданского права Петербургского университета. Активно участвовал в подготовке отмены крепостного права. В 1861 г. Кавелин выступил с протестом против полицейско-административного произвола по отношению к студентам и ушел в отставку. С 1878 г. занимал кафедру гражданского права Военно-юридической академии. Сторонник реформ, умеренный либерал. В 1860-х гг., в период усиления революционного движения он порвал с леворадикальным лагерем, категорически отвергая тактику революционного террора; вместе с тем решительно осуждал и репрессивные меры властей. В политическом плане Кавелин всегда оставался сторонником умеренных административных реформ, проводимых «сверху».

Увлекавшийся в юности гегельянством и с почтением относившийся к славянофилам (в особенности к А. С. Хомякову), Кавелин под влиянием В. Г. Белинского, а позднее А. И. Герцена и Т. Н. Грановского стал убежденным западником. Эти убеждения нашли последовательное выражение в его работе «Мысли и заметки о русской истории» (1866). В понимании истории Кавелин решающую роль отводил личностному началу: «Для народов, призванных ко всемирно-историческому действованию..., существование без начала личности невозможно... Личность, осознающая сама по себе свое бесконечное, безусловное достоинство, — есть необходимое условие всякого духовного развития народа».

Смысл русской истории он видел в становлении и укреплении «начала личности», что должно было в конечном счете привести к подлинному сближению России с Западом. Исторический прогресс был для него немыслим вне нравственного развития человечества: «Нравственное развитие и деятельность составляют такую же настоящую практическую потребность людей, как и все другие стороны развития и деятельности». Итогом изучения проблемы нравственной личности, ее социального значения стала работа Кавелина «Задачи этики» (1885), которая оказала значительное влияние молодое поколение 1880-х гг.