Priset anses vara det högsta priset på fältet. Det kallas ibland Lilla Nobelpriset för litteratur.
Juryn sa att Cao var ett enhälligt val för skrivpriset, eftersom han "skriver vackert om de komplexa liven för barn som står inför stora utmaningar".
Pekings universitetsprofessor i kinesisk och barnlitteratur är välkänd i litterära kretsar i Kina och har vunnit flera priser hemma.
Han är särskilt känd för sina böcker som sattes på 1950- och 1960-talets landsbygd Kina, med utgångspunkt från sina barndomserfarenheter.
Cao, 62 år, växte upp i den förödande fattigdomen i Jiangsuprovinsen, son till en rektor för lågstadieskolor på landsbygden.
I en av sina böcker, som återgav hans barndom, påminde han sig att han ofta inte hade mycket att äta och att han såg fram emot att en gång var 15: e dag äta en måltid risgryn.
"Min hemby var känd för sin fattigdom. Dag ut och dag in levde min familj i fattigdom, skrev han.
"Jag skulle samla gräs från flodbankarna. Mamma skulle flitigt röra stek den i en oljelös stålwok, säger hon gjorde mig en skål med rörfriterad purjolök att äta."
International Board on Books for Young People (IBBY), som delar ut Hans Christian Andersen Award, konstaterade att "hans barndom, även om den är materiellt fattig, var känslomässigt och estetiskt rik", attribut som det sade var uppenbara i hans skrivande.
En av Caos mest kända barnböcker utanför Kina är hans verk Brons och Solrose 2005 som utspelades under kulturrevolutionen.
Den berättar historien om en ung stadsflicka, Sunflower, som följer med sin konstnärsfar när han med våld skickas till landsbygden för att arbeta bland bönder, som miljoner kineser var på 1960- och 70-talen.
Hon blir vän med en bondpojke, Bronze, som övertalar sin familj att ta med sig Sunflower efter att hennes far dött och ser efter henne, medan hon lär honom läsa och skriva.
Kritiker berömde den för dess meningsfulla historia och Caos lyriska prosa.
"Bronze var hungrig att lära sig och glufsade upp varje karaktär Sunflower kände, skriva ut dem på marken och i sin anteckningsbok. De två slutade aldrig. Vart de än gick, vad de än såg, ville Brons veta vad karaktärerna var...
Brons såg den vackra världen omkring honom förvandlas till den magiska världen av karaktärer. Solen blev vackrare, livligare och mer lockande än någonsin. På samma sätt tog månen, himlen, jorden, vinden, regnet... allt ett nytt liv.
Och Bronze, som var van att karriär runt fälten oavsett vädret, förändrades också. Han var lugnare än han brukade vara."
Översatt från kinesisk text av Helen Wang
En annan bok som publicerades 1997, Straw House, spårar berättelsen om en ung bypojke, Sang Sang, under sina sex år i grundskolan.
Cao berättade för Kinas nyhetsbyrå Xinhua 2007 att boken var baserad på hans erfarenheter när hans familj följde hans far, som ofta flyttades från skolan till skolan över hela provinsen.
Det vann flera priser i Kina inklusive landets bästa National Children's Literature Award. "Hans flytande poetiska prosa skildrar ärliga, ibland råa och ofta melankoliska ögonblick i livet", säger IBBY.
Kinesiska nätanvändare välkomnade nyheten om hans seger, och många var överens om att det var välförtjänt.
Flera sade på microbllogging nätverk Sina Weibo att de hade kära minnen läsa sina böcker i skolan.
"De enkla minnena av barndomen", kommenterade en Weibo användare, medan en annan sade: "Hans verk var vad vår generation växte upp läsande, de var de böcker som följde oss när vi växte upp."
Beijing-baserad författare Cao Wenxuan har blivit den första kinesiska författaren att vinna Hans Christian Andersen priset för barnlitteratur.