Kaulbach erhielt von seinem Vater, einem Stempelschneider und Goldschmied, ersten Zeichenunterricht, studierte dann an der Akademie in Düsseldorf und wurde Meisterschüler von Cornelius. Mit ihm ging er nach München und arbeitete dort an zahlreichen Fresken mit, z. B. im Odeon und in den Hofgartenarkaden. 

1834-37 schuf Kaulbach ein gewaltiges Gemälde "Die Hunnenschlacht", mit dem er sich den Weg zum Ruhm bahnte. Er wurde Hofmaler des Königs von Bayern und führte in dessen Auftrag mehrere Monumentalgemälde aus. Sein bekanntestes Werk wurden jedoch die für den Verleger Cotta gefertigten Illustrationen zu Goethes "Reineke Fuchs" (1841), die neben den Illustrationen zu anderen großen Dichtungen seine besondere Begabung für die Zeichnung zeigten. 

1849 wurde Kaulbach Direktor der Akademie der Künste in München und begann mit Entwürfen für die Fresken in der Neuen Pinakothek, die einen Skandal auslösten, weil er in den allegorischen Darstellungen einzelne Künstler und Gelehrte durch boshafte Übertreibungen karikierte. 

In voller Schaffenskraft wurde Kaulbach eines der letzten Opfer der Choleraepidemie in München.