Nacido en una rica e influyente familia paulista, se graduó en 1928 en ciencias jurídicas y sociales. Su primera obra – Evolução política do Brasil (Evolución política de Brasil), publicada en 1933– fue también el primer análisis de la historia de Brasil que utilizó de forma consistente el materialismo histórico. En ella consideró al feudalismo en la Colonia sólo como “figura de retórica”, aunque el régimen de las capitanías fuese “característicamente feudal”.
En Formação do Brasil contemporâneo, publicado en 1942, Caio Prado sostiene que la comprensión de la historia brasileña se produce al revelarse su sentido, que se definiría en la formación colonial. De esta forma, parte del inicio del siglo XIX, cuando la obra colonizadora había terminado, y regresa al pasado para entender ese sentido, vinculado a la expansión de las actividades mercantiles en los siglos XV y XVI. Sostuvo que el carácter colonial permanecía en la estructuración de la sociedad brasileña, que se había moldeado en la especialización de la producción de bienes agrícolas para el mercado europeo en latifundios de monocultivo.
En 1943 fundó la editorial Brasiliense, que en 1955 lanzó la revista Brasiliense, punto de referencia del pensamiento crítico y nacionalista brasileño. En 1945 publicó História Econômica do Brasil (Historia económica de Brasil) , donde trata los problemas de la industrialización, el imperialismo, la vida económica y financiera, insuficientemente analizados hasta entonces. Dos años después fue elegido diputado estadual por el Partido Comunista Brasileño (PCB), y su mandato fue cancelado con el decreto que declaraba la ilegalidad del PCB.
En la década de 1930, Caio Prado Júnior integró un movimiento de revisión de la historia de Brasil que revolucionó la manera de comprender la evolución política y social del país. Hasta entonces regía la tesis de que Brasil era un país sin pueblo. A partir de ese momento –y gracias a las contribuciones decisivas de Sérgio Buarque de Holanda, Gilberto Freyre y del propio Caio Prado– surgieron nuevos paradigmas como raza, modernización, tradición, patriarcado y revolución, que poco a poco fueron incorporados al vocabulario corriente de los círculos intelectuales y universitarios brasileños. En ese contexto, Evolução política do Brasil, Formação do Brasil contemporâneo e História econômica do Brasil representan un esfuerzo de sistematización de los conceptos tomados del pensamiento marxista, unidos a una narrativa pormenorizada de los principales acontecimientos que atraviesa la evolución sociopolítica del país. Esas obras manifiestan una preocupación por el método y la teoría que ejerció fuerte influencia sobre los círculos universitarios y sobre los lectores en general.
Perseguido luego del golpe de 1964, Caio Prado Júnior fue jubilado a la fuerza en 1968 por la dictadura, y estuvo preso entre 1970 y 1971, hasta que la Justicia lo absolvió. Antes de eso, sin embargo, cuestionó a sus críticos y a los exegetas de su obra, con la publicación de A revolução brasileira (La revolución brasileña) (1966), libro con el que ganó los premios Juca Pato e Intelectual del Año, concedido por la Unión Brasileña de Escritores. En esa obra, y más tarde en A questão agrária no Brasil (1979), emprendió una revisión del marxismo que había utilizado en sus primeras obras y demostró que aquellos que las habían estudiado no penetraron a fondo en los conceptos y en las categorías de la teoría crítica de la sociedad. En A revolução brasileira, recuerda que la tradición del pensamiento de izquierda en Brasil ha invertido el proceso metodológico adecuado: en vez de partir del análisis de los hechos, con el fin de derivar de ahí los conceptos con que se estructura la teoría, se procede en sentido inverso, partiendo de la teoría y de los conceptos, que se buscan en textos consagrados y clásicos, para enseguida encuadrar los hechos. La influencia del PCB y de las tesis del aparato partidario simplificaron la historia del capitalismo brasileño. Y, con eso, el ex militante comunista amplió sus formulaciones incorporando lecturas del marxismo italiano y rechazando el rancio estalinismo que predominaba en los círculos comunistas de la época.
Falleció en 1990 y dejó un legado decisivo para la historiografía y el pensamiento social brasileño y latinoamericano.