Franz Catel ursprünglich Holzbildhauer und Grafiker begann sich um 1800 vermehrt der Malerei zu widmen. Vor 1801 gründete er gemeinsam mit seinem Bruder Ludwig Friedrich Catel (1776-1819) eine Firma für Stuckarbeiten in Berlin. Er fertigte dennoch weiterhin Illustrationen für Bücher an und lernte dadurch unter anderem Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) kennen.
1806 wurde er zum ordentlichen Mitglied der Berliner Akademie ernannt. 1811 unternahm er eine Studienreise, die ihn nach Paris und in die Schweiz führte. Dort wurde er so von der Alpenlandschaft fasziniert, dass er weiter nach Rom reiste, wo er sich niederließ. Er lernte den Künstlerkreis um Joseph Anton Koch (1768-1839) kennen, eine der zentralen Figur unter den deutschen Malern in Rom.
1812 besuchte er gemeinsam mit dem Forscher Aubin-Louis Millin de Grandmaison (1759-1818) Paestum, eine römische Ruinenstätte in Kompanien, die heute als UNESCO-Weltkulturerbe gilt.
1840 unternahm er eine weitere Reise durch Frankreich, England, in die Niederlande und durch Deutschland.  Ein Jahr später wurde er durch die königliche Preußische Akademie der Künste zum Professor ernannt.
Mit seiner Kunst konnte er sich ein beträchtliches Vermögen aufbauen, sodass er aus seinem Privatvermögen eine Stiftung für junge Künstler in Rom gründete. Nach seinem Tod wurde sie Alleinerbe seines Vermögens. Noch heute besteht die Pio Istituto Catel. 

Seine Gemälde zeichnen sich durch eine getreue Wiedergabe der Lichteinwirkungen, besonders den sonnigen Glanz in der italienischen Landschaft, aus. Scharf betonte Linien und Formen sind ein weiteres Charakteristikum.
Besondere Bekanntheit erlangte er durch seine buntfarbigen und lebensfrohen italienischen Volksszenen. Figürliche Staffage als Hauptgegenstand seiner landschaftlich starken Arbeiten wertet seine Darstellungen besonders auf.