Né dans une famille d'artistes, Théodore Caruelle perd son géniteur Jean-Baptiste Caruelle en 1801. Élevé par son beau-père Claude Meure-Aligny, il en adopte le patronyme pour peindre. Arrivé à Paris en 1808, il aurait débuté en réalisant des dessins paysagers pour une fabrique de porcelaine. Ses maîtres dans l'apprentissage du pinceau sont Jean-Baptiste Regnault et Louis Etienne Watelet. Puis Caruelle d'Aligny se spécialise dans le genre du paysage historique, et présente un tableau représentant Daphnis et Chloé pour sa première participation au Salon en 1822.
Il consacre ensuite plusieurs années au traditionnel voyage artistique en Italie, au cours duquel il se lie avec Camille Corot. Ce séjour dure de 1824 à 1827. Une fois revenu en France, Caruelle d'Aligny commence à exposer régulièrement au Salon à partir de 1827. Il retourne en Italie de 1834 à 1836, et effectue en 1843 un voyage en Grèce afin de réaliser une série de dessins des principaux sites antiques que lui avait commandés l’École des beaux-arts. Il publie le fruit de ce labeur sous la forme d'un recueil d'eaux-fortes : Vues des sites les plus célèbres de la Grèce antique dessinées sur nature et gravées à l'eau forte (Paris, 1845). Il décore la chapelle des fonts baptismaux de l'église Saint-Etienne-du-Mont à Paris en 1851.
Deux fois médaillé au Salon en 1831 et 1837, il est décoré de la Légion d'honneur le 2 juillet 1842 et finalement admis à l'Académie des beaux-arts. En 1860, il est nommé directeur de l’École des beaux-arts de Lyon, ville où il meurt le 24 février 1871. Sa dépouille est rapatriée dans la capitale et inhumée au cimetière du Montparnasse. Sa tombe y subsiste ornée d'un buste en marbre réalisé par Antoine Etex.
Le paysagiste François-Auguste Ravier est l'un des élèves de son atelier.