Su abuelo fue un banquero judío amante de las letras que amaba especialmente la literatura latina, de ahí que su hijo se llamase Tulio y su nieto Cátulo (Catulle) en honor a los dos grandes poetas clásicos.

Se dio a conocer en 1860 al fundar la Revue fantaisiste, en la que colaboró en particular el narrador Villiers de l'Isle-Adam.

En la revista Le Parnasse Contemporain que dio título a la estética parnasiana participó activamente.

Hacia 1869, Catulle Mendès había empezado una relación con la compositora Augusta Holmès que le dará cinco hijos antes de separarse en 1886; las tres hijas fueron pintadas por Auguste Renoir (Les Filles de Catulle Mendès).

Su actividad en el campo de la crítica teatral le procuró un incidente con el director Aurelien Lugné-Poe que, tras una crítica furibunda publicada en La Revue Blanche fue respondida mediante un artículo de Lugné-Poe en La Presse.

Pese a ello no se sabe si murió instantáneamente o quedó en la vía moribundo y fue atropellado una segunda vez por el tren de las cuatro de la madrugada que se dirigía a París.