Il s'engage comme volontaire dans les grenadiers en 1792, sert sous les ordres de Dumouriez en Belgique, en Vendée, participe à la bataille de Quiberon puis à l'expédition d'Irlande sous les ordres de Hoche en 1796. Il sert ensuite dans l'armée des Alpes sous les ordres de Masséna, où il se fait remarquer à la tête d'une compagnie de grenadiers à la bataille de Zurich (1799).
En 1800, il commandait la compagnie dans laquelle servait Latour d'Auvergne, et lui succéda au titre de premier grenadier de France.
Colonel à Iéna, major commandant du 3e régiment des voltigeurs de la Garde en 1810 et baron la même année. Il combat en Espagne, puis rejoint la Grande Armée. Il y commande le 3e régiment de voltigeurs de la Garde pendant la campagne de Russie, et participe à Bautzen, Dresde, Leipzig, avant d'être nommé général à Hanau.
Il devint major de la garde impériale en 1814, accompagna Napoléon Ier à l'île d'Elbe, revint avec lui en 1815, commanda l'avant-garde de sa petite armée. Fidèle parmi les fidèles à l'Empereur, il était commandant militaire de l'île d'Elbe en 1814-1815.
Lors des Cent-Jours, il commandait l'avant-garde. Il prit la forteresse de Sisteron (5 mars). Il fut nommé comte par Napoléon arrivé à Paris. Commandant le dernier carré de la Vieille Garde à Waterloo, sommé de se rendre par le général britannique Colville, il répondit d'abord :
« La garde meurt mais ne se rend pas ! »
(Note:Cette phrase est généralement attribuée à Cambronne mais les historiens ne sont pas certains qu'il l'ait jamais prononcée)
Puis, devant l'insistance du Britannique, il fit une réponse aussi énergique que concise, aujourd'hui connu sous le nom de « mot de Cambronne » :
« Merde ! »
Il nia cependant toute sa vie avoir fait cette réponse, rapportée par le Journal Général de France (édition du 24, la nouvelle étant parvenue à Paris le 21) et Victor Hugo.
Néanmoins, sa détermination provoqua une plus grande admiration chez les Britanniques, qui firent tout pour le capturer vivant. Le colonel britannique Hugh Halkett, commandant de la brigade de Landwehr hanovrienne, affirme être l'auteur de cette capture alors que Cambronne « se promenait » en dehors du carré. En réalité, grièvement blessé, il est fait prisonnier par les Britanniques après le massacre des derniers carrés par les Britanniques.