Gustave Caillebotte nació en París el 19 de agosto de 1848 en el seno de una familia burguesa acomodada dedicada a actividades industriales y comerciales que habían garantizado un nivel de vida alto y estable a lo largo de varias generaciones. Su padre, Martial Caillebotte, había prosperado en negocios vinculados al suministro de telas y equipamientos, y su madre, Céleste Daufresne, pertenecía también a un entorno acomodado. La casa familiar, ubicada en el centro de París, reflejaba el estatus social de la familia, mientras que la amplia propiedad de Yerres, adquirida en la década de 1860, ofrecía un espacio de descanso en el que los hijos crecieron en contacto con jardines, río y actividades al aire libre. Gustave, junto con sus hermanos Martial y René, pasó allí largas temporadas estivales durante su adolescencia, y ese entorno marcó su vida familiar, sus hábitos y buena parte de su memoria afectiva.
Recibió una educación formal acorde con la posición social de la familia, con formación general y práctica del dibujo, disciplina habitual en ese tipo de enseñanza. Desde joven acompañó a sus padres en viajes por Europa, entre ellos recorridos por Italia que ampliaron su contacto con ciudades históricas y colecciones artísticas. A comienzos de la década de 1870 su vida se vio marcada por la guerra franco-prusiana: fue llamado a filas en 1870 y sirvió en la Garde Mobile. Después de la guerra regresó a París y retomó estudios, esta vez orientados de manera más seria hacia la pintura. Ingresó en el estudio del pintor Léon Bonnat y trabajó allí con continuidad antes de ser admitido en la École des Beaux-Arts, aunque no siguió estrictamente el camino institucional que caracterizaba a quienes se proponían competir en el Salón oficial. En esos años comenzó a producir obra con mayor regularidad y, paralelamente, continuó frecuentando la propiedad de Yerres, que seguía siendo un núcleo importante de su vida familiar.
La muerte de su padre en 1874 supuso un punto de inflexión decisivo. La herencia distribuyó entre los hermanos un patrimonio amplio compuesto por propiedades, dinero y bienes muebles. Gustave recibió una parte considerable que le permitió trabajar sin presiones económicas y organizar su vida de manera independiente. Poco después, en 1879, murió también su madre, lo que condujo a una nueva reorganización del patrimonio familiar. La villa de Yerres, tan presente en la vida de infancia y juventud de los hermanos, fue mantenida durante un tiempo pero finalmente se decidió venderla. La sucesión convirtió a Gustave y a su hermano Martial en responsables de una cantidad significativa de propiedades y recursos, lo que influyó en la forma en que Gustave estructuró sus años siguientes.
A mediados de la década de 1870 ya había establecido vínculos firmes con el grupo de artistas que empezaban a organizar exposiciones colectivas fuera del circuito oficial. Su amistad con varios de ellos surgió de manera natural tanto por intereses compartidos como por afinidades personales, y se integró al círculo con rapidez. Su participación en las exhibiciones conocidas como impresionistas comenzó en 1877 y continuó en 1879, 1880 y 1882. En esas muestras figuró con obra propia y, además, desempeñó funciones prácticas vinculadas a la organización. Su aporte económico fue especialmente importante, en particular para garantizar el alquiler de salas y otros gastos que muchos de sus colegas no podían cubrir. Esos años consolidaron una relación duradera con varios de los artistas del grupo y también con marchands y personas del ambiente artístico parisino.
Durante este período estableció una rutina que combinaba el trabajo en su taller con una vida urbana activa y con viajes a diversas localidades, muchas veces motivados por amistades, por exposiciones o por intereses personales. Paralelamente, comenzó a formar una colección privada de pintura contemporánea, adquirida directamente a colegas, en ferias o en estudios. En su casa parisina reunió un conjunto notable de obras de su generación, que se ampliaría con el paso del tiempo. Este coleccionismo reflejaba tanto su capacidad económica como su sensibilidad artística y su interés por apoyar a quienes consideraba parte de su entorno cercano.
Hacia 1881 tomó una decisión que transformó su vida cotidiana: adquirió una casa en Le Petit-Gennevilliers, en la ribera del Sena, frente a Argenteuil. El lugar ofrecía tranquilidad, un contacto constante con el río y espacio suficiente para actividades que no había podido desarrollar en París. Allí instaló su residencia principal, alternando estancias con visitas a la capital y a otros lugares donde se reunía con su círculo habitual. La casa fue acondicionada según sus gustos personales y pronto se convirtió en un punto de reunión para amistades y familiares. A partir de su mudanza al Sena, afianzó una afición que lo acompañaría hasta el final de su vida: la navegación deportiva.
Desde finales de la década de 1870 había comenzado a interesarse por las regatas, pero fue en Petit-Gennevilliers donde esa actividad se volvió cotidiana. Construyó embarcaciones, diseñó planos y participó activamente en competiciones locales. Figuras de su entorno social comentaron en repetidas ocasiones su habilidad para pilotar veleros pequeños y su dedicación a la construcción y mantenimiento de sus propias naves. Fue miembro de clubes náuticos, ganó varias pruebas y se convirtió en un habitué de las regatas del Sena, donde su presencia se asociaba con regularidad a embarcaciones rápidas y bien equipadas. Este interés absorbió buena parte de su energía y, en muchos momentos, organizó su calendario anual alrededor de la temporada de regatas.
En su vida personal mantuvo una estructura familiar estrecha articulada alrededor de su hermano Martial, con quien compartió la administración de herencias, inversiones y propiedades. No contrajo matrimonio ni tuvo hijos, y en los años que siguieron a la adquisición de la casa del Sena desarrolló un modo de vida relativamente estable, entre la navegación, la gestión de su patrimonio, las reuniones con amigos y la actividad artística. Su casa funcionó también como un lugar de hospitalidad para allegados y artistas, y recibió numerosas visitas de miembros de su círculo. En paralelo, continuó elaborando nuevas obras, pero sin participar ya en las exposiciones del grupo después de 1882, pues la dinámica del movimiento —y la relación entre varios de sus miembros— había ido cambiando con el tiempo.
A finales de los años 1880 su colección privada de pintura era considerable, y comenzó a pensar en su destino futuro. Durante esos años empezó a redactar su testamento, en el que dejó instrucciones precisas sobre la conservación de sus bienes y, en particular, sobre la transferencia de una selección de obras al Estado francés. Redactó disposiciones detalladas para que su hermano Martial administrara la colección durante su vida, y dispuso la futura entrega de una parte importante a instituciones públicas. Estableció también la posibilidad de que un amigo cercano ayudara a decidir la selección final de obras. Estas disposiciones reflejan la importancia que la colección había adquirido para él y su intención de asegurar su preservación más allá de su muerte.
En los últimos años de su vida continuó residiendo principalmente en Petit-Gennevilliers, atendiendo asuntos relativos a su casa, sus embarcaciones y su patrimonio. Recibió allí a familiares y amigos, organizó reuniones y mantuvo una rutina marcada por la cercanía del río. La navegación siguió ocupando un lugar central, así como la atención a su jardín y a las mejoras de su vivienda. Su salud, sin embargo, comenzó a deteriorarse.
Murió el 21 de febrero de 1894 en Petit-Gennevilliers, a los 45 años. Su fallecimiento fue inesperado para su círculo íntimo. El entierro tuvo lugar poco después y asistieron su hermano, familiares, colegas y amigos de años. Tras su muerte, su testamento entró en vigor y comenzó el proceso de inventario y reparto. Su hermano Martial conservó la colección según las condiciones establecidas. Más adelante, tras la muerte de dicho hermano, se inició el procedimiento para transferir al Estado la selección de obras que él había previsto. El proceso implicó negociaciones, revisiones y adaptaciones hasta que la entrega fue finalmente aceptada. Esa donación acabó siendo una de las primeras incorporaciones significativas de pintura contemporánea de su generación a las colecciones públicas francesas.