Als Sohn des Universitätsinspektors Georg Heinrich Oesterley studierte Carl Oesterley nach seinem Abitur in Holzminden seit dem Jahr 1822 an der Universität Göttingen Archäologie, Geschichte und Philosophie. Am 29. März 1824 promovierte er dort im Bereich der Kunstgeschichte. Anschließend ging er nach Dresden, wo er Zeichenunterricht nahm, nachdem er ersten Malunterricht in Kassel erhalten hatte. Carl Oesterley war dort Schüler von Johann Gottlob Matthäi (1753–1832) und hielt sich von 1824 bis 1829 in Rom auf. Nach seiner Rückkehr nach Deutschland erfolgte im Jahre 1829 seine Habilitation; 1831 übernahm er eine Professur der Kunstgeschichte in Göttingen, wo er mit Carl Otfried Müller die Denkmäler der alten Kunst herausgab. Im Jahr 1842 wurde er ordentlicher Professor für Kunst. Nach Vollendung des Bildes Christus und Ahasverus wurde Oesterley im Jahr 1844 zum Königlich-hannoverschen Hofmaler ernannt. 1834 und 1844 hielt er sich im Atelier Wilhelm von Schadows an der Kunstakademie Düsseldorf auf. Nach dem Jahr 1852 fertigte Oesterley zahlreiche Altarbilder u. a. für die Kirche in Rosdorf, in Molzen bei Uelzen und in Bad Iburg bei Osnabrück. Das großformatige Gemälde Christus als Erlöser erhielt die Evangelisch-lutherische Schlosskirche in Iburg 1867, nachdem König Georg V. der Gemeinde bei seinem Besuch 1862 sowohl ein neues Altarbild als auch neue Fenster für die Schlosskirche zugesagt hatte. Oesterley ist zu den Nazarenern zu rechnen, seine Beeinflussungen gehen über deren engeren Rahmen hinaus. Außerdem fertigte er Porträts an und führte Kartons für Glasgemälde aus. Seine Töchter Marie Oesterley und Ilse Oesterley wurden ebenfalls Malerinnen, ebenso wie sein Sohn Carl Oesterley junior. Seine Tochter Julie heiratete den Chemiker Karl Kraut. Oesterleys Zugehörigkeit zu einer bestimmten Freimaurerloge konnte bisher nicht näher bestimmt werden, die nachgewiesene Mitgliedschaft im Freimaurerischen Sterbekassenverein von 1865 führt jedoch zwangsläufig in eine hannoversche Loge. Sein Vater Georg Heinrich Oesterley war Mitglied der Loge Zum Schwarzen Bär.