Bauhin nació en la localidad suiza de Basilea. Su padre era cirujano y desde pequeño aprende anatomía y se interesa por la práctica médica. Su hermano Jean, veinte años mayor, le instruye en la práctica botánica. Bauhin realiza estudios de medicina en Italia, Francia y Alemania. En 1582 obtuvo la cátedra de griego de la Universidad de Basilea, y en 1588 las de anatomía y botánica, además de los cargos de rector de dicha universidad y decano de la Facultad de Medicina.

A lo largo de su vida, Caspar Bauhin combinó los estudios anatómicos con la botánica. Su obra anatómica más importante fue Theatrum Anatomicum  (1605), la cual contenía grabados al cobre basados en los publicados por Vesalio. En este trabajo Bauhin introduce una nueva nomenclatura para los músculos, venas, arterias y nervios más acorde con su forma, posición, consistencia, uso o zona inserción. Esta nueva terminología presentaba múltiples ventajas respecto a la existente y fue adoptada rápidamente por médicos y anatomistas, convirtiéndose en el libro de anatomía más importante del siglo XVII.

En cuanto a su labor como botánico, el trabajo más relevante de Bauhin es Pinax Theatri Botanici, publicado en 1623. Se trata de un catálogo botánico sin ilustrar en el que se incluyen unas seis mil plantas con sus sinónimos, procedentes de las obras de Teofrasto, Plinio, Dioscórides, así como de autores renacentistas. Bauhin introduce en esta obra por primera vez un sistema artificial de clasificación basado en una nomenclatura de dos términos. El primero de ellos, el género,  era compartido por un grupo de especies relacionadas entre sí en función de sus afinidades, mientras el segundo era único para cada planta. Este sistema rechaza el orden alfabético utilizado hasta el momento por autores previos y se convierte en un anticipo del futuro sistema binomial de Linneo. Bauhin también editó Commentarii de Mattioli con numerosas adiciones y más de 2000 xilografías (Opera quae extant omnia, Basilea 1598, 1674) y el New Kreuterbuch de Tabernaemontanus (1613 y 1625). 

Antes de su muerte Bauhin tenía proyectada una obra en doce tomos a la que llamó Theatrum Botanicum, de la que únicamente llegó a elaborar tres y solo vio la luz el primer volumen en 1658 gracias a los esfuerzos de su hijo, Jean Gaspard Bauhin (1606-1685). Esta obra contiene magníficos grabados al cobre incluidos entre el texto que, pese a su aparente sencillez, resultan enormemente útiles para la identificación vegetal.