Nizzában látta meg a napvilágot, a Cambridge-i Egyetemen tanult, de diplomát nem szerzett, feltehetően, mert nem volt hajlandó nyilatkozni az anglikán egyház iránti hűségéről. Később Londonban telepedett le. Eleinte szerény körülmények között élt, de 40 éves korában hatalmas vagyont örökölt, melyet jobbára könyvekre és tudományos berendezésekre fordított. 1760-ban a Royal Society választotta tagjává, 1803-ban az Institut de France nyolc külföldi tagjának egyike lett. 1766-ban háromrészes tanulmányt közölt a gázok előállításáról. Kémiai kutatásainak nagy része a gázokkal foglalkozott. Felismerte, hogy a hidrogén önálló anyag, kísérletezett a széndioxiddal is. Észrevette, hogy a levegő oxigént, nitrogént, és még mást is tartalmaz, s ez a megfigyelés vezetett több mint egy évszázaddal később a nemesgázok felfedezéséhez. Az arzénsavval végzett, publikálatlan kísérletei megelőzték a későbbi kutatásokat, ő fedezte fel a salétromsavat is. 1784-85-ben a levegővel végzett kísérletei során felismerte, hogy a víz nem elem, hanem vegyület. Joseph Priestley figyelte meg korábban, hogy ha oxigén és hidrogén keverékét elektromos szikrával felrobbantják, a tartály falát nedvesség borítja. Cavendish és James Watt egyidejűleg jött rá, hogy ez a víz szintézise. Az elektromosság terén végzett kutatásai önmagukban is hírnevet szereztek volna Cavendishnek, ha nyilvánosságra hozta volna őket. Felfedezte, hogy két elektromos töltés közti erő fordítottan arányos távolságuk négyzetével, ez később Coulomb-törvény néven lett ismert. Megállapította, hogy a jó vezető felszínének minden pontja a Földhöz képest azonos potenciálon van - ez az elgondolás igen fontos volt az elektromosságtan további fejlődése szempontjából. Azt is ő fedezte fel, hogy az elektromos vezetőkön mérhető feszültség (potenciálkülönbség) arányos a rajtuk áthaladó áram nagyságával. Hőtani eredményei szintén kiadatlanul maradtak, talán, hogy ne tűnjön úgy, mintha versenyezni akarna Joseph Black-kel, akinek eredményeit szintén megelőzte. Számos anyag fajhőjét számította ki. Foglalkozott alkalmazott tudományokkal, így meteorológiával, villámvédelemmel, vizsgálta a pénzérmék kopását is. Utolsó munkája a Föld sűrűségének mérése volt. A kísérletet - amely új korszakot nyitott a kis erők mérésében - 1797-98-ban végezte el. Kísérleteivel igazolta a Newton-féle gravitációs törvényt. Családja 1871-ben Cambridge-ben létrehozta a Cavendish-laboratóriumot. 1810. február 24-én hunyt el Londonban.