Mínimos, donde estudia física y matemáticas, además de practicar técnicas de dibujo, pintura, e incluso a trabajar la madera en el torno. Plumier es enviado al monasterio de Trinità dei Monti en Roma, donde realiza la sillería del coro y descubre la botánica, ciencia a la que se aficionaría fervientemente. A su vuelta a Francia comienza a trabajar como discípulo de Tournefort, a quien acompañará en muchas de sus excursiones botánicas.

En 1689 es llamado a formar parte de una campaña de exploración a las Antillas francesas, como dibujante y acompañante del escritor Joseph Donat Surian. Allí Plumier recolectó durante año y medio numerosos especímenes de flora y fauna para las colecciones reales. A su vuelta publicó Description des Plantes d'Amérique (1693), donde describía y figuraba gran cantidad de especies de helechos, entre otras plantas. Esta obra, provista de 108 grabados, tuvo un gran éxito, y en este mismo año Plumier fue nombrado botánico del rey Luis XIV y encomendado a realizar un segundo viaje a las posesiones francesas en el Caribe. En 1695 realizará su tercer viaje a las Antillas. Durante estas exploraciones Plumier recopila gran cantidad de información en manuscritos bellamente ilustrados, donde se describen un centenar de nuevos géneros y 700 especies que publica en 1703 en Nova plantarum americanarum genera, con 40 magníficas láminas de grabados calcográficos que recuerdan al trabajo de Tournefort. También en 1703 se publica Filicetum Americanum, con 222 ilustraciones compiladas de sus obras anteriores. Por otra parte, Plumier encuentra tiempo para publicar, en 1701, un tratado sobre los métodos de trabajar la madera en el torno (L'Art de tourner), trabajo muy conocido entre los artesanos del siglo XVIII.

En 1704, con su nuevo libro Traité des Fougères de l'Amérique en prensa, y a punto de comenzar su cuarto viaje para estudiar el árbol de la quina en Perú, enfermó de pleuritis y murió en el Puerto de Santa María (Cádiz). El nuevo libro vio la luz un año después, y en él se con 172 magníficas láminas grabadas al cobre. Plumier dejaba además un legado manuscrito de 31 volúmenes y unos 6.000 dibujos, la mayoría de plantas, aves y peces. Algunos de estos dibujos habían sido grabados en París, y fueron publicados en Ámsterdam entre 1755 y 1760 bajo el título Plantarum americanarum, quas olim Carolus Plumerius botanicorum princeps detexit , en 10 fascículos con 262 láminas de grabados.  

Lejos de ser un simple descriptor, Plumier organizó las plantas y los animales que observaba en diferentes categorías o clases que servirían más tarde a Linneo. A su muerte, muchos de los informes y dibujos inéditos se incluyeron en varios artículos sobre historia natural de la Enciclopedia de Diderot y D'Alembert.