Fils d'un modeste menuisier, Alexandre Cabanel commence son apprentissage à l’École des beaux-arts de Montpellier dans la classe de Charles Matet conservateur du musée Fabre. Doté d'une bourse, il s'installe à Paris en 1839.
Il entre en 1840 à l'École des beaux-arts de Paris où il est l'élève de François-Édouard Picot. Il est lauréat d'un second prix de Rome en 1845 et pensionnaire de la villa Médicis jusqu'en 1850.
À Montpellier, il réalise les portraits d'un certain nombre de membres de familles fortunées comme la famille Marès. À la fois peintre d'histoire et peintre de genre, il évolue au fil des années vers des thèmes romantiques, comme Albaydé, en 1848, inspirée par Les Orientales de Victor Hugo publié en 1829.
Il reçoit les insignes de chevalier de la Légion d'honneur en 1855.
La célébrité lui vient avec La Naissance de Vénus exposée au Salon de 1863 qui est immédiatement achetée par Napoléon III pour sa collection personnelle et qui entre au musée du Luxembourg en 1881 (le tableau est conservé à Paris au musée d'Orsay). Il passe un contrat avec la maison Goupil pour la commercialisation de reproductions en gravure de la Naissance de Vénus.
En 1863, Cabanel est élu membre de l'Académie des beaux-arts au fauteuil X.
En janvier 1864, il est nommé professeur-chef d'atelier de peinture à l'École des beaux-arts de Paris et promu au rang d’officier de la Légion d'honneur.
Lors de l'Exposition universelle de 1867, il est décoré de la croix de chevalier de première classe de l'ordre du Mérite de Saint-Michel de Bavière à la suite de son Paradis perdu commandé pour le Maximilianeum de Munich par Louis II de Bavière.
Il reçoit la médaille d'honneur du Salon en 1865, pour le Portrait de l'Empereur, ainsi qu'en 1867 et en 1878.
Ses œuvres sont recherchées par les célébrités européennes et les collectionneurs américains qui lui commandent leurs portraits.
En tant que peintre officiel et membre du jury, où il fait preuve d'une farouche opposition à l'égard de toute tendance novatrice, Cabanel est régulièrement critiqué et mis en opposition avec les naturalistes et les impressionnistes, en particulier avec Édouard Manet dont Le Déjeuner sur l'herbe, alors intitulé Le Bain, puis La Partie carrée, avait été refusé au Salon de 1863, alors que Cabanel triomphait avec sa Naissance de Vénus. Il est régulièrement brocardé par Émile Zola ou Joris-Karl Huysmans. Cependant, il intervient en 1881 lors de la présentation du portrait de Pertuiset, Le chasseur de lions d'Édouard Manet et défend celui-ci en s'écriant : « Messieurs, il n’y en a pas un parmi nous qui soit fichu de faire une tête comme ça en plein air ! »
Il est promu au rang de commandeur de la Légion d'honneur en 1884 et est élu associé de l'Académie Royale de Belgique le 6 janvier 1887.
Il meurt le 24 janvier 1889 dans son hôtel du 14 rue Alfred de Vigny, dans le 8e arrondissement de Paris.
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