Nasce il 28 gennaio 1825 a Pavia. Nel 1844 si iscrive alla facoltà di giurisprudenza presso l'università della sua città natale, laureandosi nel 1850.
Spinto dalla sua educazione patriottica, partecipa attivamente al movimento nazionale e liberale della gioventù universitaria. Allo scoppio della guerra di indipendenza del 1848 si arruola nella compagnia dei volontari pavesi. La fine sfortunata della guerra lo orienta con decisione verso il movimento mazziniano, ma la morte del padre lo costringe a tornare a casa, a sostegno della madre e dei quattro fratelli minori. Esule dalla Lombardia nel Regno di Sardegna, soggiorna brevemente a Zurigo e partecipa all'organizzazione dei moti mazziniani di Milano (1853). Nello stesso anno si ricongiunge alla famiglia in territorio piemontese, presso la villa di Groppello, che ben presto diviene un centro di azione patriottica.
Il rientro a Pavia di Cairoli è reso possibile dall'amnistia austriaca del 1857, ma già alla fine del 1858 il coinvolgimento con Pisacane del fratello Ernesto, che morirà in combattimento l'anno successivo, lo costringe nuovamente all'esilio in Piemonte. Nel 1859 è fra i primi ad arruolarsi nei Cacciatori delle Alpi; la delusione seguita all'armistizio di Villafranca, lo avvicina ancora di più a Garibaldi, del quale diviene acceso sostenitore.
Si adopera per la preparazione di una spedizione nell'Italia meridionale, raccogliendo uomini, armi e denari in Lombardia. Nella spedizione dei Mille comanda la 7a compagnia, quasi tutta composta da studenti pavesi, e si distingue per coraggio ed eroismo. Durante la presa di Palermo, è ferito in maniera grave. Nel corso della stessa campagna muore di tifo il fratello Luigi.
È di nuovo con Garibaldi nella campagna del 1866 e partecipa alla battaglia di Bezzecca. La fama patriottica della famiglia Cairoli cresce con la morte, a Villa Glori, del fratello Enrico e con quella del fratello Giovanni sopravvenuta, due anni dopo, a causa delle ferite riportate nello stesso scontro.
Dopo Mentana si stacca definitivamente da Garibaldi, ritenendo indispensabile l'opposizione al Governo in sede parlamentare.
Il matrimonio con la contessa trentina Elena Sizzo, avvenuto nel 1873, lo avvicina alle rivendicazioni irredentiste.
La carriera politica di Cairoli comincia nel gennaio 1860, con la carica di consigliere comunale a Pavia. Il 29 marzo dello stesso anno esce sconfitto dal ballottaggio nelle elezioni politiche, ma il 10 maggio successivo ottiene comunque il seggio alla Camera, rimasto vacante a seguito delle dimissioni del vincitore Stefano Bellisomi.
In seguito a una seconda sconfitta nella tornata elettorale del gennaio 1861, sempre a Pavia, in aprile si ripresenta e vince nel collegio di Brivio.
Nell'ottobre 1865 risulta eletto sia a Pavia sia a Napoli ed opta per la sua città natale, dove sarà confermato ininterrottamente fino alla XVI legislatura.
Nell'Aula di Montecitorio siede nelle file della sinistra e lavora, inizialmente, per superare le divisioni fra mazziniani e garibaldini. Dai banchi parlamentari non perde occasione per incitare alla liberazione di Roma e dopo il 20 settembre 1870 continua la sua opposizione al Governo, battendosi in particolare a favore dell'allargamento del suffragio. Nel 1872 presenta per questo una specifica proposta di legge per l'introduzione del suffragio universale.
Esponente della sinistra intransigente, resta all'opposizione anche rispetto al Governo guidato da Depretis (marzo 1876). Quando il Ministro Zanardelli, molto vicino a Cairoli, esce dal Governo (novembre 1877), si apre una lunga crisi che si conclude con le dimissioni di Depretis all'indomani dell'elezione a larga maggioranza di Cairoli alla Presidenza della Camera, in quanto l'elezione viene interpretata come un'indicazione politica inequivocabile della nuova personalità intorno alla quale è possibile aggregare una nuova maggioranza di governo.
L'8 marzo 1878, dopo la Vicepresidenza del 1869 e la sconfitta del 1870 nella corsa alla Presidenza, Cairoli subentra, solo per pochi giorni, a Crispi nella carica di Presidente della Camera. A partire dal 24 marzo del 1878 è infatti chiamato alla guida di tre Governi.
Il primo Ministero Cairoli cade per una questione di politica interna: il 17 novembre 1878, durante le manifestazioni che seguono la fine del congresso di Berlino, il Re Umberto I è oggetto di un attentato, dal quale lo salva proprio Cairoli, facendo scudo col suo corpo ai colpi dell'attentatore.
Traendo spunto dall'episodio, l'opposizione di destra censura l'indirizzo liberale del Governo in politica interna giudicato troppo tollerante verso organizzazioni e partiti sovversivi e Cairoli è costretto a lasciare l'incarico di Presidente del Consiglio nel dicembre dello stesso anno. Torna a presiedere l'Esecutivo il 14 luglio 1879, succedendo al terzo Governo Depretis, ma la mancanza di una solida base parlamentare lo induce nuovamente alle dimissioni il 19 novembre dello stesso anno. Ricevuto immediatamente il reincarico Cairoli forma il suo terzo ed ultimo Ministero con l'appoggio di Depretis, che assume il Dicastero degli interni. A causa della grave crisi della politica estera italiana a seguito della firma da parte del bey di Tunisi, nel maggio 1881, del trattato che instaura il protettorato francese, Cairoli si dimette. Molti dei suoi ministri entrano a far parte del successivo Governo guidato da Depretis, imputando a Cairoli l'intera responsabilità della crisi tunisina.
Ripreso il suo posto alla Camera, grazie alla sua autorevolezza e alla sua popolarità, diviene, quindi, il punto di riferimento dell'opposizione a Depretis e il fulcro della "pentarchia". Quest'ultimo tentativo di fermare il "trasformismo" ha vita breve e difficile, perché ben presto alcuni oppositori rientrano nel Governo: il 1887 segna la fine della pentarchia e della carriera politica di Cairoli.
Segue un periodo di viaggi all'estero, fino alla morte avvenuta l'8 agosto 1889 a Napoli nella reggia di Capodimonte, per l'aggravarsi dei postumi delle sue ferite di guerra.
