C.O. Zeuthen var søn af skytte Peter Laurentius Zeuthen (1783-1839) og Caroline Marie født Roed (1792-1862). Han kom efter sin konfirmation i tømmerlære og begyndte samtidig at tegne på Kunstakademiet og under G.F. Hetsch for at søge uddannelse som arkitekt; senere bestemte han sig dog for malerkunsten og udstillede i 1837 sit første maleri, "Esrom Kloster", solgt for 20 Rigsdaler til Kunstforeningen, der også senere erhvervede adskillige arbejder af ham: "Esbønderup Kirke", "Det indre af Sorø Kirke", "Parti af det udvendige af Lund Domkirkes Kor", "Mariakirken i Lybek" og flere. Til Den Kongelige Malerisamling solgte han 1838 "Det indre af Trinitatis Kirke" og 1846 "Sidegang i Domkirken i Lund". I 1850 interesserede han ved et par billeder af Fredericia efter bombardementet; af hans landskaber kunne nævnes "Parti af Odense Aa", 1853, og "Parti af Møens Klint, Formiddag", 1877; et enkelt af hans gadepartier, "Den gamle Toldbod", 1879, har betydning ved sit emne. Zeuthen hævede sig som selvstændig kunstner ikke til noget højt standpunkt; det værdifuldeste arbejde, han har udrettet, er restaureringen af overkalkede vægmalerier i Roskilde og Århus Domkirker samt i Skibby Kirke. Han døde ugift i København 23. juni 1890.