Né à Saint-Amand-les-Eaux, Casimir Davaine est le sixième enfant (sur neuf) d’un commerçant de spiritueux.
Il commence ses études à Saint-Amand-les-Eaux, continue à Tournai (en Belgique) et à Lille.
En 1830, il s’inscrit à la Faculté de médecine de Paris.
En 1835, il devient externe de Pierre Rayer à l'Hôpital de la Charité où il rencontre Claude Bernard, avec lequel il se lie d'amitié.
En 1837, il obtient son titre de médecin et s'installe en Provence pour exercer son métier, tout en se consacrant à ses recherches.
En 1848, il est membre fondateur de la Société de Biologie.
En 1850, il observe avec Pierre Rayer des « petits corps filiformes » dans le sang d’animaux atteints par le charbon. L'antériorité de cette découverte fut toutefois revendiquée par le médecin allemand Aloys Pollender, qui avait lui aussi parfaitement identifié le bacille charbonneux décrit par lui comme des « corpuscules en forme de bâtonnets » (Stabförmiger Körperchen), mais qui ne publia qu'en 1855 ses observations faites en 1849.
A partir de 1863, il fait des recherches sur le charbon et la septicémie du bétail qui lui vaudront son élection en 1868 à l'Académie de médecine.
En 1866, il passe quelque temps à Saint-Julien-en-Beaujolais (Rhône) auprès de Claude Bernard souffrant et profite de ce court séjour à la campagne pour étudier les moissisures de fruits.
En janvier 1869, il épouse Maria Georgina Forbes avec qui il avait eu un fils en 1845.
Pendant la guerre franco-allemande de 1870, il exerce son métier de médecin d'ambulances au sein des troupes françaises et prépare un livre sur sa philosophie du bonheur et de la vie.
En 1871, il publie ce livre sur sa philosophie du bonheur et de la vie, « Les éléments du bonheur », écrit pendant cette guerre franco-allemande de 1870.
Après cette guerre, il se fait construire une maison à Garches, près de Paris et se passionne pour le jardinage, loin des tumultes de la vie.
A partir de 1875, sa santé s'amenuise et il publie peu. En raison de sa santé, il ne peut assister aux derniers moments de Claude Bernard alors qu'il est son médecin et ami.
Il décède en 1882 à Garches, veillé par sa femme, son fils Jules et son neveu Alphonse.
Sa maison fut léguée en 1891 par sa veuve à l'Assistance publique pour y créer un centre de convalescence pour filles entre 4 et 12 ans, sans distinction de religion. Sa maison est aujourd'hui une fondation, la Fondation Davaine.
Il est enterré au cimetière du Père-Lachaise à Paris avec sa femme et son fils.
Il a aussi été le médecin traitant de la dame aux camélias, Mme Alphonsine Plessis plus connue sous le nom de Marie Duplessis., de son ami Claude Bernard, de son maître Pierre Rayer et de grands financiers de l'époque tels les Rothschild et les Eichthal .