Fils de menuisier, il appartient à une fratrie d'artistes : son frère cadet, Jules (1832-1882), peintre et architecte, fut l'un des premiers mécènes de Renoir.
Architecte méconnu de la Troisième République, Charles Le Cœur s'intéresse également au travail de Renoir, qui fait d’ailleurs son portrait en 1874, le représentant chez lui, à Fontenay-aux-Roses, avec la dédicace suivante : « Ô Galand Jard » (Au Galand Jardinier).
Par ailleurs, il réalise des établissements thermaux, dont l'ensemble de Vichy, avec casino et théâtre, qui marque l'apogée de sa carrière (1901-1903). Pour le projet vichyssois, il s'adjoint l'architecte Lucien Woog, de décorateurs comme Léon Rudnicki et du sculpteur Pierre Seguin. Il dessine aussi les plans du hall des Sources.
Le Cœur travaille également pour une clientèle privée, issue de l'aristocratie européenne du monde politique ou des arts : par exemple, il fit appel à Renoir pour la décoration intérieure de l'hôtel du prince Alexandre Bibesco, boulevard de La Tour-Maubourg à Paris.
Son style laisse libre cours à la polychromie et peut être rattaché, dans sa dernière phase, à l'Art nouveau.
Il est le père de Marie Le Coeur (1858–1937); de Théodore Joseph Le Cœur (1860-1904), entrepreneur en charpentes et de François Le Cœur (1872-1934), également architecte.