Nascido em Amaraji em 1892, Carlos de Lima Cavalcanti iniciou sua trajetória na Faculdade de Direito do Recife, onde cursou até o segundo ano, posteriormente concluiu seu curso em São Paulo. Em 1911 atuou, ao lado de Estácio Coimbra, na campanha de Rosa e Silva contra Dantas Barreto, vencida pelo segundo.

Em São Paulo, ao concluir seu curso de Direito, Carlos de Lima Cavalcanti foi nomeado delegado de política no interior daquele estado, depois mudou-se para o Rio de Janeiro, ficando na capital federal por um tempo até voltar a Pernambuco em para tomar conta da Usina Pedrosa em Cortês, com a morte do seu pai em 1918, assumiu em definitivo o comando da usina ficando até 1937.

Carlos de Lima vinculou-se ao Partido Republicano Democrático (PRD) de Dantas Barreto, que havia derrotado Rosa e Silva, apoiando depois Manuel Borba e José Rufino Cavalcanti, ambos eleitos governadores de Pernambuco. Nas eleições de 1922, Carlos de Lima apoiou as candidaturas de Nilo Peçanha e J.J. Seabra a presidente e vice, respectivamente, que foram derrotados por Arthur Bernardes e Urbano Santos, mas foram vitoriosos em Pernambuco. Nesta eleição Carlos de Lima alcançou seu primeiro mandato como deputado estadual.

Com a morte de José Rufino, antes do fim do seu mandato em 1922, desencadeou uma disputa acirrada pelo comando estadual entre os partidários de Carlos de Lima Castro, então prefeito do Recife, apoiado por Estácio Coimbra, Dantas Barreto e pelos Pessoa de Queiroz, sobrinhos do presidente Epitácio Pessoa e José Henrique Carneiro da Cunha, então senador e apoiado por Manuel Borba e por Carlos de Lima Cavalcanti. Carneiro da Cunha acabou vitorioso e ficou com incumbência de pacificar o estado, em ebulição por conta da acirrada eleição. No fim das contas acabou que Sérgio Loreto, então juiz, foi escolhido para governar Pernambuco devido a briga entre os dois grupos.

Reeleito em 1925 para a Assembleia Legislativa de Pernambuco, Carlos de Lima Cavalcanti permaneceu na oposição com a chegada de Estácio Coimbra ao governo de Pernambuco, fazendo-lhe um contraponto feroz. Em 1927 decidiu abandonar as atividades parlamentares para, ao lado do seu irmão, Caio de Lima Cavalcanti, fundar o Diário da Manhã, que passou a defender os ideais revolucionários da Coluna Prestes. Mais tarde, Carlos de Lima fundou o Diário da Tarde, e os dois jornais passaram a fazer forte oposição aos governos federal e estadual constituídos.

Com a fundação do Partido Democrático Nacional (PDN), Carlos de Lima Cavalcanti passou a integrar a seccional estadual ao lado do seu irmão Caio e de Dantas Barreto. Já o Partido Republicano Democrático (PRD) foi fundado por Manuel Borba. Em 1929 os dois partidos se fundiram e formaram a Frente Liberal que apoiou a Aliança Liberal composta pelo então governador do Rio Grande do Sul, Getúlio Vargas, e de João Pessoa, que governava a Paraíba, na disputa presidencial como candidato a presidente e vice, respectivamente.

Em março de 1930, Julio Prestes e Vital Soares acabaram vitoriosos contra Getúlio e João Pessoa. A vitória de ambos deixou o país em muita confusão, até que em julho do mesmo ano, João Pessoa que havia sido vice de Vargas foi assassinado no Recife o que deflagrou a revolução de 1930, que culminou no afastamento do então governador Estácio Coimbra e nomeação de Carlos de Lima Cavalcanti como interventor de Pernambuco, enquanto no plano federal Getúlio Vargas tomou o poder.

Como interventor de Pernambuco, Carlos de Lima Cavalcanti afastou e mandou prender aliados do então governador Estácio Coimbra, e consolidou algumas políticas públicas no estado como a criação do Instituto de Pesquisas Agronômicas, o Serviço de Higiene Mental e a Escola Rural Modelo, também criou a Diretoria de Produção Animal, vinculada à secretaria de Agricultura e Viação Pública.

Carlos de Lima Cavalcanti atuou para que os interventores pudessem disputar as eleições em 1934 e apoiou a eleição constitucional de Vargas à presidência da República. Com o governo constitucional, Carlos de Lima Cavalcanti indicou Agamenon Magalhães para ser ministro do Trabalho de Getúlio Vargas, que passou a ser o grande interlocutor entre Carlos de Lima Cavalcanti e Getúlio Vargas.

Em março de 1935, Carlos de Lima Cavalcanti enfrentou João Alberto na Assembleia estadual e venceu por esmagadora maioria. Com a implantação do Estado Novo em 1937, Carlos de Lima Cavalcanti acabou afastado do governo de Pernambuco, sendo substituído por Agamenon Magalhães como interventor federal.

Vargas concedeu-lhe a condição de embaixador do Brasil na Colômbia, e depois exerceu a função no México e em Cuba. Com a redemocratização em 1945, Carlos de Lima Cavalcanti volta a disputar eleições, desta vez para a Assembleia Nacional Constituinte, como deputado federal e acaba eleito, tendo atuado na formação da União Democrática Nacional (UDN) e no apoio a Eduardo Gomes para presidente naquela eleição, que foi derrotado por Gaspar Dutra.

Carlos de Lima Cavalcanti teve seu mandato estendido até 1951, sendo reeleito em 1950 ficando na Câmara até 1954 quando foi nomeado pelo presidente Café Filho para o cargo de presidente do Instituto do Açúcar e do Álcool, função que ficaria até 1955.

Nas eleições de 1954 tentou a reeleição para a Câmara dos Deputados mas ficou apenas na primeira suplência, chegando a assumir o mandato em 1956, ficando na Câmara Federal até 1959 quando encerrou seu mandato. Com o regime militar em 1964, Carlos de Lima Cavalcanti voltou a exercer funções públicas na condição de membro do conselho superior das caixas econômicas.

Estava no exercício da função quando veio a óbito, aos 75 anos, no Rio de Janeiro, em 19 de setembro de 1967, encerrando uma conturbada trajetória mas importante na história política de Pernambuco e do Brasil.