Der Sohn und Schüler des Hannoveraner Hofmalers Friedrich Kaulbach arbeitete nach dem Besuch der Kunstschule in Nürnberg zwei Jahre bei seinem Vater. 1871 ging er nach München. 1873 und 1874 folgten Italienaufenthalte vor allem zum Studium der Venezianer. 1877 reiste Kaulbach zusammen mit seinen Münchner Freunden Franz v. Lenbach, Hans Makart, Lorenz Gedon und Karl Wilhelm Hecht zur Rubensfeier nach Antwerpen. 1883 und 1884 schlossen sich Studienaufenthalte in Paris an. Ab 1886 ließ er sich dauerhaft in München nieder, wurde als Nachfolger Karl Theodor v. Pilotys Akademiedirektor und vom Prinzregenten geadelt. 1891 legte er das Amt des Direktors nieder, um sich ganz seiner Arbeit widmen zu können.
Kaulbachs frühe Genredarstellungen sind durch die Nürnberger Eindrücke und das zeitgenössische Interesse an der deutschen Renaissance geprägt. Seine Porträts adliger Damen und Künstlerinnen brachten ihm den Beinamen "Maler der schönsten Frauen aller Länder" ein. Die wenigen Landschaften zeigen meist italienische Motive. Kaulbach schuf auch Entwürfe für Wandbilder und weitgehend unbekannte aber treffende Karikaturen. Stilistisch verband er die Kunst Makarts und der französischen Malerei mit der Schulung an den alten Holländern.

Thieme-Becker 20 (1927), S. 20-22; E. Lehmann/E. Riemer, Die Kaulbachs. Eine Künstlerfamilie aus Arolsen, Arolsen 1978, S. 217-258; K. Zimmermanns, Friedrich August v. Kaulbach 1850-1920. Monographie und Werkverzeichnis, München 1980; Bruckmann 1981-1983 2, S. 289-292