Sündinud kodukooliõpetaja Felicite Neffi vallaslapsena, õppis Neff kõigepealt Rakvere kreiskoolis ja seejärel Dresdeni kunstiakadeemias Saksamaal. Noore kunstnikuna Venemaa tolleaegsesse pealinna Peterburi jõudes ning teenistust otsides maalis ta soovijate portreesid.[1] Andeka ja viljaka kunstnikuna saavutas ta aadliseisuse, akadeemiku- ja salanõuniku auastme. 1831. aastal sai ta tsaar Nikolai esimeseks õukonnakunstnikuks, pälvis oma suurejooneliste maalide eest Peterburi Iisaku katedraalis ja tsaari residentsides Anna ordeni, Püha Stanislavi ordeni, Vladimiri tähe ning hiljem riiginõuniku ja siis salanõuniku tiitli.[2]
Suureks inspiratsiooniallikaks oli Neffile Itaalia, mida ta oma elu jooksul korduvalt külastas. Kauneid loodusvaateid leidis ta ka Eestimaalt Piira ja Muuga mõisate ümbrusest. 1849. aastal soetatud Piira mõis oli talle ajutine peidupaik, Muuga mõis kunstiline väljakutse.[3] Mõlemas Eesti mõisas viibis ta pigem suviti. Olles kõrgetasemeline ja tunnustatud kunstnik, veetis ta suurema osa oma ajast pealinnas Peterburis.[1] Tema elu viimased aastad kulusid Muuga mõisa hoonete ehitamiseks ja sealse kunstikogu sisustamiseks, kuid paraku ei saanud ta asjaolude kokkulangemise tõttu oma elusihti täielikult valminuna näha.
Tütar Mary von Gruenewaldt kirjutas oma raamatus Carl Timoleon von Neffi kohta:
Isale polnud antud näha oma maja, oma loometööd, täies korras ning kunstilises lõpetatuses. Nüüd aga – ükskõik, kas on õhtu ja päiksevalgus hõõgub punasel seinal, heites marmorskulptuuridele roosakat kuma ning tekitades lillakaid varje, või on hommik ja valguskiir toob hämarusest esile õnnistava Jeesuslapse taevalikult kuldse kuju, või on hoopis öö ja kuu heidab mahedat helki rõdu karüatiididele – ikka pean ma mõtlema, miks küll mu isal see kõik nägemata jäi.
Neff suri Peterburis jõululaupäeval 1876. aastal ning maeti Simuna kiriku surnuaeda.[1]