Hijo de Francisco Fernández Torneros, abogado, y Teresa Ramona Duro. Enviado a realizar sus primeros estudios a Madrid con diez años. Cinco años después obtuvo plaza de aspirante en el Colegio Naval de San Fernando (Cádiz, 24 de febrero de 1845).

Ascendido a teniente de navío (23 de marzo de 1859), a los veintinueve años de edad y doce de servicio activo, Cesáreo Fernández en ese momento ya contaba con dieciséis obras publicadas, y pasó a mandar el vapor transporte de guerra Ferrol.

Tras ser nombrado oficial de la Dirección de Armamentos en 1861, contrajo matrimonio con Dolores Espeliús y Matienso y fue destinado de nuevo a las Antillas a las órdenes del jefe de escuadra Joaquín Gutiérrez de Rubalcava, como primer secretario de la Comandancia General del apostadero de La Habana. Un año después, finalizaba su ensayo Nociones de Derecho internacional marítimo, redactadas por orden de dicho almirante y publicadas en La Habana en 1863.

Tras su regreso a España en ese mismo año, desempeñó varios destinos en Madrid como oficial primero de la Secretaría del Ministerio de Marina, y en 1864 primer secretario de la Junta Consultiva de la Armada y vocal de la Comisión para reforma de las Ordenanzas Navales. Durante esta etapa madrileña preparó sus "Naufragios de la Marina española". Relación histórica formada con presencia de los documentos oficiales que existen en el Archivo del Ministerio de Marina, que se publicaron en 1867 y por lo que le fue concedida su primera Cruz de 2.ª clase del Mérito Naval (8 de mayo de 1868). También investigó y clasificó en la Biblioteca Real su rica colección de planisferios celestes, atlas geográficos, mapamundis, mapas y planos generales y particulares, cuyos resultados publicó en 1868. Nombrado secretario de la Comisión Central de Pesca, redactó para ella una Reseña histórica de las almadrabas en las costas de España y Reglamento para su régimen, que se publicó en 1866.

En 1868 ascendió a capitán de fragata y pasó a ser 2.º comandante de la célebre fragata blindada Numancia. Sin abandonar la Armada ni el Ejército, pasó a la Administración como jefe de primera y con esa condición fue nombrado secretario del Gobierno General de la isla de Cuba (2 de junio de 1869). Como interlocutor en nombre del gobierno colonial, llevó a cabo delicadas y acertadas gestiones que le habían valido meses antes su promoción a jefe superior de Administración en 1870. De vuelta al servicio activo de la Armada, en 1871 fue elegido presidente honorario de la Academia Internacional de Estímulo a las Artes (23 de abril de 1871) y obtuvo una Medalla Honorífica en la Exposición Internacional Náutica de Nápoles. En 1873 fue admitido como socio residente de la Sociedad Económica Matritense de Amigos del País y en 1875 fue ascendido a capitán de navío y nombrado ayudante de campo de Alfonso XII, a quien acompañó en 1876 en la Campaña del Norte en la línea del Oria.

Concluida la Guerra Carlista, se dedicó al estudio. Escribió el primer volumen de las Disquisiciones Náuticas. Socio fundador de la Real Sociedad Geográfica en 1876. Participó en varios de sus proyectos, convirtiéndose en vicepresidente en 1878 y más tarde en su tercer presidente (1899), cargo que conservó hasta su muerte. La Real Academia de la Historia lo eligió miembro de número el 12 de marzo de 1880, tras haber publicado su Correspondencia epistolar de D. José Vargas y Ponce y el Ministerio de Fomento aprobó en 1880 la publicación a su cargo del primer tomo de sus Relaciones geográficas de Indias. En su condición de geógrafo e historiador y con antecedentes de buen conciliador, se le nombró jefe de la Comisión de Arbitraje sobre los límites entre Venezuela y Colombia entre 1884 y 1888, y también encargado de informar al Gobierno en las cuestiones de demarcación entre Perú y Ecuador.

Marino, historiador, geógrafo y escritor español. Académico de la Real Academia de la Historia.