Il a fait ses études de mathématiques à l'École normale supérieure de 1924 à 1927. Agrégé en 1927, il enseigne ensuite au lycée de Rabat jusqu'en 1929. Il poursuit ses recherches, à Paris, à Göttingen et à Princeton. Il soutient une thèse de docteur d'État en 1934 : Sur la topologie de certains espaces homogènes, sous la responsabilité d'Élie Cartan. Charles Ehresmann a aussi fait partie du groupe Bourbaki.
Il a aussi rédigé plusieurs cours pour les universités dans lesquelles il a travaillé.
On lui doit plus d'une centaine d'articles. La plupart d'entre eux ont été réédités dans l'ouvrage suivant par les soins de sa veuve : Charles Ehresmann et Andrée Charles-Ehresmann (éditrice) (ces Œuvres complètes sont en réalité des suppléments à la revue Cahiers de topologie et géométrie différentielle catégoriques(en) fondée en 1957 par Ehresmann), Œuvres complètes et commentées, vol. I à IV, Amiens, , 3180 p. (lire en ligne).