Cesare Dei nasce il 20 maggio 1914 a Firenze in via Maggio 23, quarto degli otto figli di Leonardo Dei, professore al ginnasio Galileo, e Teresa Barchielli. Dimostra precocemente una inclinazione artistica (del 1925 i primi disegni conservati). Frequenta l'Istituto d'Arte di Firenze dove si diploma nel 1935 al corso magistrale. Ma a diciott'anni, per curarsi di una forma non grave di tubercolosi polmonare, è stato costretto a passare un anno a Davos, in Svizzera. Prende quindi in affitto uno studio in via Michele di Lando. È consulente artistico presso lo Stabilimento di Doccia della Richard-Ginori. Disegna e scrive storie per ragazzi per la Nerbini.

Prima della guerra viaggia a lungo nell'Europa del nord: passa un anno intero a Copenhagen, dove si mantiene con lavori più o meno occasionali, soprattutto in una fabbrica di ceramica, quindi va in Finlandia, ospite di amici scultori (restano alcuni disegni e acquerelli influenzati dalla pittura finlandese), in Germania e a Budapest, agevolato dalla facilità nell'apprendimento delle lingue (studia da solo francese, tedesco e inglese; arriva a parlare correntemente danese). Riformato dal servizio militare a causa della sua pregressa malattia, passa gli anni della guerra fra Firenze e Sant'Agata di Mugello, dove la sua famiglia è sfollata per allontanarsi dalla troppo pericolosa casa fiorentina. Fa diversi lavori, e si occupa saltuariamente di allestimenti di mostre (fra le altre la Mostra dell'artigianato di Firenze nel 1940, la Mostra dei Mestieri Artigiani nel Teatro, Firenze, 1942).

Nel 1941 scrive «in un momento di sconforto» Il viaggio di pulcino Pip, favola allegorica per l'infanzia, che esce presso Marzocco con le illustrazioni dell'autore ed ha una notevole fortuna e molte recensioni, fra cui quelle di Bargellini e di Yambo (verrà più volte ristampato, e tradotto anche nel 1953 in serbocroato). Seguono, nel 1942, le Favole vecchie e nuove (Le Monnier, 1942, illustrazioni dell'autore; I premio al concorso per opere letterarie destinate ai giovani bandito dall'Associazione Fascista della Scuola) e, nel 1944, Storia di un micio così così (Marzocco, illustrazioni dell'autore). Renato Biasutti, geografo, professore all'ateneo fiorentino, gli affida lavori di illustrazione per le sue opere scientifiche e per varie pubblicazioni della Società di Studi geografici. Si dedica in questi anni prevalentemente al disegno.

All'arrivo degli alleati viene impiegato come interprete fra gli americani e i prigionieri tedeschi. Nel 1945 collabora fittamente con novelle, pezzi in prosa, didascalie in rima e disegni al «Corriere dei ragazzi»; nel 1949-50 pubblica racconti sulla «Gazzetta dei piccoli». Di questo periodo anche gli ultimi lavori come illustratore di libri per ragazzi per la Marzocco. Frequenta continuativamente la Nazionale, il Gabinetto Vieusseux e le altre biblioteche fiorentine leggendo soprattutto i classici, italiani e stranieri, spesso in lingua originale. All'inizio del 1946 conosce Teresa Parri, insegnante di Lettere al Cicognini di Prato, scrittrice e studiosa, e la sposa il 20 settembre 1946, inaugurando un rapporto affettivo ed intellettuale destinato a durare per più di cinquant'anni, fino alla morte. Il 5 settembre 1947 nasce la prima figlia, Adele. Nel 1947 cura come redattore la stampa del Catalogo dell'Artigianato Italiano.

Per necessità economiche comincia a lavorare nella ceramica, come operaio per la Ceramica Artistica Ciulli di Sesto (dal 1947 al 1953; dipinge serie di piatti con riproduzioni di quadri celebri), ma anche progetta e realizza oggetti originali (vasi, lumi, piatti) presso varie fabbriche fra cui la Cinelli. È amico di Guido Gambone, dell'illustratore Piero Bernardini e di vari pittori fiorentini; frequenta Ardengo Soffici andandolo a trovare a Poggio a Caiano. Nel 1951 affitta un appartamento all'Erta Canina 29, antiquato ma con una grande terrazza panoramica. Il 29 maggio 1953 nasce la seconda figlia, Metella. Ha intanto ripreso a dipingere con continuità a olio, ed espone per la prima volta i suoi quadri in una personale al Circolo degli Artisti di Firenze nel novembre del 1955. L'anno successivo espone alla Galleria d'arte Sauro Pasquini di Lucca insieme con l'amico Umberto Baldaccini. Insoddisfatto del suo lavoro, decide di dare i concorsi per la scuola; dopo qualche supplenza temporanea (a Firenze e a Marradi) è nominato nel 1956-57 insegnante di disegno nella scuola media di Cortona, dove frequenta la biblioteca diretta da Luigi Pancrazi e tiene discorsi e conferenze. Proprio a vedute dei vicoli di Cortona (tratto a china) è dedicata una mostra nella vetrina della Galleria Spinetti nel febbraio 1957. Altre opere a china conservate rimandano invece a una vacanza a Sant'Andrea, all'isola d'Elba, nel luglio 1956. Continuano anche le letture di ogni genere, fra cui numerosi testi di filosofia indiana. Il 1° maggio 1957 nasce la terza figlia, Chiara, che muore dopo pochi mesi. Lavora lungamente a un romanzo, La torre, rimasto dolorosamente nel cassetto. Nel maggio-giugno del 1958 espone, insieme con Adorno Bonciani, a La Permanente di Firenze; nel gennaio 1959 mostra di disegni a La Torre, saletta della Casa di Dante.

Pubblica Il libro di Madur (Marzocco, 1958, più volte ristampato), storia di ambientazione indiana che era piaciuta molto, nella sua prima stesura, a Pietro Pancrazi e che vince nel 1959 a Pontremoli la prima edizione del premio Bancarellino. Collabora con il Centro Didattico fiorentino e con vari gruppi e riviste che si occupano di letteratura per ragazzi. Nel giugno del 1960 espone dipinti e disegni alla Galleria Spinetti di Firenze. Continua ad insegnare educazione artistica alle scuole medie, prima a Prato e poi alla Don Facibeni di Firenze. Gli anni sessanta vedono infittirsi le mostre personali: nel novembre del 1961 espone alla Galleria Martelli di Firenze una serie di dipinti nuovi a tempera, che tentano di superare le convenzioni figurative attraverso un diverso taglio. Si avvicina quindi alla pittura informale. Riceve un invito da Carlo Cardazzo per la Galleria del Cavallino di Venezia dove un anno dopo (novembre 1962) inaugura una mostra di tempere su tela. Di questo periodo anche i rapporti continuativi e l'amicizia con Fiamma Vigo e il gruppo di «numero» (ma aveva collaborato alla rivista, con novelle e prose, fino dai primi anni cinquanta), che favorisce e accellera un mutamento radicale nella sua pittura, peraltro già iniziato; nelle gallerie di «numero» espone in due personali a Roma nel novembre 1963 (presentazione di Michaël Capozzoli) e a Milano nel maggio 1964; ma è presente anche in numerose collettive: «piccolo formato», Firenze, dicembre 1963 - gennaio 1964; «Garden House», mostra internazionale d'arte d'avanguardia, Ronchi di Massa, luglio 1964; «12 artisti», Roma, gennaio 1965; «piccolo formato», Firenze, gennaio 1966 (una sua opera è stata esposta anche in occasione della recente mostra Fiamma Vigo e «numero», Firenze, Archivio di Stato, 2003). Negli anni delle esposizioni a «numero» si matura la fase delle opere geometriche (tempere su tela e quindi cartoni a china optical).
Frequenta la bottega di Ugo Fanfani.

Nel 1964 si trasferisce di casa in un altro appartamento dell'Erta Canina, al numero 44. Dopo qualche anno prende in affitto una porzione di vecchia colonica adiacente a casa dove sistema lo studio. Si dedica con continuità ai guazzi. Mostra grande curiosità per i nuovi fumetti, la musica leggera e le letture di moda in questo periodo, conosciute attraverso le figlie. Collabora al «Messaggero dei ragazzi» di Padova.
Degli anni sessanta anche numerosi lavori per l'editore Sansoni presso cui pubblica vari testi destinati ai ragazzi: I pirati (adattamento da Philip Gosse, 1964), Peter senz'ombra di Chamisso (traduzione, introduzione e note di Cesare Dei, 1964), il libro di testo per l'educazione artistica nella scuola media Educart (1964) e Padre Brown poliziotto (di Chesterton, scelta, adattamento e note di Cesare Dei, 1969). Nel 1966 esce presso le edizioni del Messaggero di Padova Cinque briganti e più, nel 1969 L'isola blu (Torino, S.E.I.).Nel 1967 Giunti ha intanto ripubblicato una nuova edizione di Il viaggio del pulcino Pip.
Si interessa di astrologia e fa elaborati oroscopi ad amici e familiari. Nel novembre 1968 è presente con una cartella di grafica fra gli autori della Cooperativa artisti fiorentini, presentati dalla Galleria Pananti alla III Mostra mercato nazionale di Arte contemporanea di Palazzo Strozzi a Firenze. Nell'aprile del 1969 Michelangelo Masciotta presenta una sua mostra alla Libreria Feltrinelli di Firenze; nel 1971 è la volta di un'ampia Antologica all'Accademia delle Arti del Disegno fiorentina (catalogo con presentazione di Lara Vinca Masini) che ripercorre quasi trent'anni di attività fino alle ultime opere 'neo-metafisiche'; nell'aprile del 1972 espone guazzi alla galleria Stellaria di Firenze. Del 1972 è anche l'ultimo trasloco, in una grande casa a San Martino alla Palma, da dove non si sposterà più.

Vari e gravi problemi di salute lo costringono nel 1972 a una degenza in ospedale di più di tre mesi. Ottiene poco dopo il trasferimento presso la scuola media Leoncavallo di Scandicci, dove insegna fino alla pensione. Indotto dal nuovo ambiente e approfittando dello spazio a disposizione (ha sistemato lo studio nella vecchia stalla) comincia a dedicarsi anche alla scultura, soprattutto in legno di olivo. Ma lavora anche altri legni e quindi il polistirolo, usando materiali di imballaggio e di scarto. Alterna a pittura e scultura anche il collage; ridipinge opere classiche e famose sporcandole o replicandone la struttura con elementi non figurativi (le Conciature). Viene spesso invitato in scuole elementari e medie a parlare con i ragazzi dei suoi libri. Riprende e riscrive il vecchio romanzo, La torre, a cui tiene molto, ma che non riuscirà mai a pubblicare, nonostante i pareri favorevoli e i buoni uffici di personaggi di prestigio. Dalla fine degli anni sessanta ricomincia anche a viaggiare con la moglie: va a Parigi, in Grecia, in Europa centrale.

Nel 1975 partecipa con una comunicazione al I Convegno Internazionale di Studi Collodiani (in «Studi collodiani», 1976). Fa stampare a sue spese un volume di poesie (Allineamenti, Mommiso editore, novembre 1976). Entra in contatto con il gruppo dello Studio d'arte Il Moro di Firenze, dove espone le sue sculture (Radiche e tronchi, gennaio 1978) e sono proiettate diapositive scattate dal fotografo Luciano Ricci ai suoi oggetti di polistirolo di recupero. Di nuovo al Moro altra mostra di dipinti nel giugno del 1979 (ma numerose le sue partecipazioni anche ad esposizioni collettive). Sempre nel 1979, a ottobre, mostra personale di dipinti alla galleria Aglaia di Firenze. Va in pensione dalla scuola. Altri viaggi: Portogallo, Unione sovietica europea ed asiatica, India, Pakistan, Egitto, Turchia (una serie di guazzi è ispirata ai paesaggi dell'altopiano anatolico).

Firma con Giunti, già editore del Libro di Madur e di altri suoi scritti, un contratto che prevede la pubblicazione in esclusiva di tutte le sue opere per ragazzi e la ristampa delle già edite. Escono così le nuove edizioni di Un micio così (1984), Cinque briganti e più (1985), Pulcino Pip (1985), L'isola blu (1985), le novelle La polvere del pimpirimpì e I diamanti della Regina e altre novelle (1987, premio Lunigiana) e nuovi libri: Il soldato con l'orologio (1984, premio Lunigiana), La via del sale(1985, premio La Palma d'Oro, San Benedetto del Tronto), L'assedio della luna nera (1986). Restano inediti invece, nonostante i molti e duraturi tentativi, diversi scritti per adulti (racconti, aforismi, opere teatrali). Viene spesso invitato a parlare dei suoi libri per ragazzi presso scuole e biblioteche.

Continua a leggere, dipingere, scolpire e scrivere, ma si diradano le occasioni pubbliche, e anche le frequentazioni al di fuori della stretta cerchia familiare. Nel 1989 e quindi nel 1992 fa parte della giuria del Premio letterario Nazionale di letteratura giovanile Una Favola al Castello a Torino. Nel 1995 pubblica meditazioni critiche su alcuni grandi classici italiani e stranieri (Psicosaggi, Torino, Genesi editrice). Nell'aprile del 1999 si decide, dopo vent'anni, a un'altra mostra personale alla galleria Donatello di Firenze (catalogo con presentazione di Elvio Natali). Parla brillantemente in pubblico all'inaugurazione, ma la mattina dopo viene colpito da un ictus che lo lascia senza la parola e paralizzato dal lato destro. Muore a casa il 3 gennaio 2000.