En 1851, à 22 ans, Carleton Watkins quitte l'État de New York pour la Californie. Deux ans plus tard, Watkins est engagé dans un studio de portrait à San Jose, où il apprend le daguerréotype.
Watkins adopte ensuite le collodion humide, adapté à la photographie de paysage. La prise de vue est plus rapide, les images plus nettes et moins onéreuse, surtout en grand format.

Son premier travail d'ampleur s'appuie sur des grand format (environ 53 cm × 46 cm).

Il documente la vallée du Yosemite, ses photos influencent le président Lincoln et le Congrès pour constituer une réserve nationale et protéger la vallée du développement d'activités destructrices.

en 1868, ses clichés sont choisis pour illustrer The Yosemite Guide-Book du géologue Josiah Dwight Whitney.

De 1867 à la fin des années 1880, Carleton Watkins photographie de San Francisco à la région du fleuve Columbia et du mont Shasta, et du sud de la Californie au parc national de Yellowstone créé en 1872.

À la suite de la destruction totale de son studio en 1906, lors du tremblement de terre de San Francisco, Watkins tombe malade et cesse son activité. En 1910, il est enfermé dans un asile psychiatrique et meurt six ans plus tard.