İlk eğitimini doğduğu kentte aldı. 1940 yılında Havana'ya geldi ve San Alejandro Güzel Sanatlar Akademisi'ne girdi. Eğitimine ekonomik zorluklardan dolayı ara vermek durumunda kaldı. 1948 yılından itibaren siyasi gösterilere katılmaya başladı, otobüs tarifelerine yapılan zamları protesto edenlerin arasında yer aldı. 1953 yılında ABD'ye daha iyi yaşam koşulları için gittiyse de işçilerin içinde bulunduğu durumu görerek ülkesine geri döndü. 1954 yılında Fulgencio Batista iktidarına karşı mücadele eden öğrenci grupları arasında yer aldı. Küba Devrimi önderlerinden Antoni Maceo'nun anıldığı bir gösteride polisin saldırısı üzerine kolundan yaralandı. Polis tarafından takip edildiğinden dolayı önce ABD'ye oradan sınırdışı edilince de Meksika'ya gider. Burada Küba'ya çıkartma yapmak üzere hazırlık yapan Fidel Castro ile tanışır ve Granma yatıyla beraber yola çıkan 82 gerilladan birisi olur.
Granma yatı karaya vardıktan sonra Batista kuvvetleriyle çatışma çıkmış, gerillalar ancak dağılarak saldırıdan kurtulabilmişlerdir. Sierra Maestra Dağlarına varabilen 12 kişiden birisi de Camilo olur. Camilo bağlı bulunduğu müfrezenin komutanı olan Arjantinli devrimci önder Ernesto Che Guevara ile dostluğunu geliştirecek ve silahlı mücadelesini sürdürecektir. 1958 yılında Fidel tarafından komutanlığa terfi ettirilir. Camilo özellikle Yaguajay şehrinin alınmasındaki başarısıyla bilinir.
1959 Ocak ayındaki Küba Devrimi'nin zaferinden sonra Ordunun komutanlarından birisi olarak karşı-devrimci güçlere karşı mücadeleye devam etti, tarım reformu çalışmalarına destekte bulundu. 28 Ekim 1959 tarihinde Camagüey şehrinden Havana'ya Cesna 310 tipi bir uçakla yola çıkan Camilo Cienfuegos uçak kazasında hayatını kaybeder.Ölümüyle ilgili çok çeşitli rivayet olmakla beraber uçağının nereye ve nasıl düştüğü bilinmemektedir.