カルノーが『火の動力』を出版した1823年は、熱の本質は熱素（カロリック）という物質であるという、カロリック説がまだ受け入れられていた。カルノーも『火の動力』では基本的にこの説を取り入れ、熱素という表記を多く使用している。また、カルノーの理論の多くは、当時カロリック説の基本法則とされていた熱量保存則を前提としており、「これを否認することは、熱理論全体を破壊することを意味する。」と記している。しかし、その文の直後に「ちなみに、熱理論の依って立っているもろもろの原理は、なおいっそうの注意深い研究を要すると思われる。熱理論のこんにちの状態ではほとんど説明できないようにみえる多数の経験事実が存在するのである。」と述べているように、当時の熱理論に全面的な信頼をおいているわけではなかった。『火の動力』執筆後に書かれた『覚書』では、はっきりと熱運動説に傾いている。そして、「ある仮説が現象を説明するのにもはや十分でないとき、この仮説はすてられるべきである。熱素を一つの物質、ある稀薄な流体とみなす仮説は、まさしくかような仮説である。」と、カロリック説を否定している。その根拠としてランフォードが行った摩擦による熱の発生の実験などを挙げている。さらに、熱の仕事当量の算出も行っている。カルノー存命時、熱は運動だとする説は徐々に広まりつつあったが、まだ完成された理論形態にはなっておらず、その点ではまだカロリック説の方に分があった。カルノーがカロリック説に疑問を抱きつつも、結局はカロリック説を元に理論を組み立てたのは、こういった時代的背景が原因とも言われている。
カルノーはまず、熱から動力を生み出すのには温度差が必要だと論じた。そして、熱が高温の物体から低温の物体へ移動することで物体が膨張・収縮し、その結果として仕事が生み出されると考えた。カルノーはこれを、水車で水が高いところから低いところへ落ちることで動力が発生することになぞらえている。ただし、温度が変化する時に必ず体積の変化が伴うとしたのは誤りであり（ゼーベック効果などの例外がある）、また、熱が移動することで動力が生み出されるというのも現代から見ると正しくない。しかし、熱から仕事を生み出すのには熱を供給する高温の熱源の他に熱を取り去る低温の熱源も必要だとした発想はカルノー独自のもので、大きな功績であった。カルノーは、熱から無駄なく動力を得るには、常に温度および圧力の釣り合いを保った変化(準静的変化)を行わせることが必要であり、また、このような変化を組み合わせたサイクルを逆に動かせば、同じ動力で同じ熱量を汲み上げる熱ポンプとして動作できる(可逆機関である)と考えた。この可逆機関と任意の熱機関の組み合わせが永久機関にならないためには、(1)可逆機関の熱効率が最大であり、(2)その熱効率は熱源の温度だけで決まり、熱を伝える物質には依存しない、ということを導いた。これは現在カルノーの定理と呼ばれている。カルノーが行った誘導は、誤った熱量保存則に基づいていたが、カルノーの定理が正しいことは後年ルドルフ・クラウジウスおよびウィリアム・トムソンにより示された。
カルノーが『火の動力』でテーマに掲げたのは、熱の動力としての効率である。熱の動力としての活用としては、当時は蒸気機関が代表的であった。蒸気機関はジェームズ・ワットにより飛躍的に発展を遂げたが、その熱効率についての確固たる科学的理論はなく、開発はいきあたりばったりに行われている面があった。 カルノーは熱効率に限界はあるのか、そしてどうすれば効率を最大限に高めることが出来るのかを考えたのである。このテーマを考えるにあたって、カルノーは熱の「動力」という概念を使用した。これは、父のラザール・カルノーが使用した「活性モーメント」と同じ意味であり、「重さともちあげられた高さとの積」で定義される。つまり現代で言う「仕事」に相当する。
イタリア王国（現在のイタリア共和国）トリノに生まれる。貴族の出身で、騎兵将校、法律家といった職を経て、舞台の戯曲を書き始める。戯曲が注目され、映画界に入り、1943年に脚本家としてデビューする。1952年、ピエトロ・ジェルミ監督の『越境者』の脚本で、同作を共同執筆したジェルミ、フェデリコ・フェリーニとともにドイツ映画賞敢闘賞を受賞する。1957年、フェデリコ・フェリーニ監督の『道』の脚本で、同作を共同執筆したフェリーニとともに第29回アカデミー賞脚本賞にノミネートされる。1958年、フェデリコ・フェリーニ監督の『青春群像』の脚本で、同作を共同執筆したフェリーニ、エンニオ・フライアーノとともに第30回アカデミー賞脚本賞にノミネートされる。1959年、フェデリコ・フェリーニ監督の『カビリアの夜』の脚本で、同作を共同執筆したピエル・パオロ・パゾリーニ、エンニオ・フライアーノとともに、スペイン・バルセロナでのサン・ジョルディ賞最優秀外国脚本賞を受賞する。フェデリコ・フェリーニ監督の『甘い生活』の脚本で、同作を共同執筆したフェリーニ、ブルネッロ・ロンディ、エンニオ・フライアーノとともに1961年にはナストロ・ダルジェント賞最優秀脚本賞を受賞、1962年には第34回アカデミー賞脚本賞にノミネートされる。1964年、フェデリコ・フェリーニ監督の『8 1/2』の脚本で、同作を共同執筆したフェリーニ、ブルネッロ・ロンディ、エンニオ・フライアーノとともに、ナストロ・ダルジェント賞最優秀脚本賞を受賞、同年の第36回アカデミー賞脚本賞にノミネートされる。1976年、マリオ・モニチェリ監督の『私の友だち』の脚本で、同作を共同執筆したレオ・ベンヴェヌーティ、ピエロ・デ・ベルナルディ、ピエトロ・ジェルミとともに、ナストロ・ダルジェント賞最優秀脚本賞ならびに同最優秀原作賞を受賞する。1982年、マリオ・モニチェリ監督の『グリッロ侯爵』の脚本で、同作を共同執筆したモニチェリ、ピエロ・デ・ベルナルディ、レオ・ベンヴェヌーティ、ベルナルディーノ・ザッポーニとともにナストロ・ダルジェント賞最優秀脚本賞を受賞する。1986年、マリオ・モニチェリ監督の『女たちのテーブル』の脚本で、同作を共同執筆したモニチェリ、ピエロ・デ・ベルナルディ、レオ・ベンヴェヌーティ、スーゾ・チェッキ・ダミーコとともにナストロ・ダルジェント賞最優秀脚本賞、ならびに同年のダヴィド・ディ・ドナテッロ賞最優秀脚本賞を受賞する。1988年、フランスの女優マドレーヌ・ルボーと結婚する。満90歳を迎える1998年、マクシミリアン・ロベスピエールに題材をとった小説『ロベスピエールの家』 La casa di Robespierre を執筆し、出版される。2009年3月7日、老衰により死去した。満100歳没。