Obwohl kurz nach Scheeles Geburt sein Vater in finanzielle Schwierigkeiten geriet, besuchte Scheele dennoch ab 1748 die Privatschule des Kandidaten Schmidt. Naturwissenschaftlich interessiert, begann er im Anschluss 1757 seine pharmazeutische Ausbildung in der Apotheke „Zum Einhorn“ bei Martin Andreas Bauch (1693–1766) in Göteborg, bei dem bereits sein Bruder Martin gelernt hatte und von dem ein Vorschriftenbuch „Laboratio Medicamentorum quae sunt usuales in Pharmacopea [!] Civitatis Gotaburgensi“ (1748) erhalten ist, das Scheele zur Herstellung von Medikamenten in der Apotheke nutzte. Bauch besaß eine umfangreiche Bibliothek, die u. a. Werke von Caspar Neumann (1683–1737), Nicolas Lemery (1645–1715) und Hermann Boerhaave (1668–1738) umfasste, deren darin beschriebenen Experimente Scheele nacharbeitete. Im Anschluss an die Lehrzeit blieb er als Gehilfe in der Apotheke, bis Bauch diese 1765 verkaufte. Im selben Jahr wechselte Scheele in die von Peter Magnus Kjellström (1725–1803) geleitete „Apotheke zum gefleckten Adler“ nach Malmö, wo er im Laboratorium arbeitete und sich nebenher mit chemischen Untersuchungen beschäftigte. Hier regte ihn der spätere Chemieprofessor Anders Jåhan Retzius (1742–1821) an, über seine Versuche ein Laborjournal zu führen.

1768 wechselte Scheele als Rezeptarius in die Apotheke „Zum Raben“ nach Stockholm, wo er nur in seiner Freizeit im Labor arbeiten konnte. Trotzdem entdeckte er hier, dass Silberchlorid durch Sonnenstrahlen gespalten wird und eine Schwärzung erzeugt. 1770 übernahm er eine Stelle im Laboratorium der Apotheke „Zum Wappen von Uppland“ in Uppsala bei Christian Ludwig Lokk (1718–1800) und hatte Kontakte zu Gelehrten wie dem Professor für Chemie und Pharmazie an der Universität Uppsala, Thorbern Bergman (1735–1784), mit dem sich eine enge Zusammenarbeit entwickelte. Während Bergman von Scheeles Experimentierfertigkeiten profitierte, prägte dieser mit seinem theoretischen Wissen und seinem Sinn für Systematik Scheeles Schreibstil.

1775 übernahm Scheele als Provisor die Apotheke in Köping, die er 1776 von der Witwe seines Vorgängers Hindrich Pascha Pohl (1732–1775) erwarb und 1782 in ein neues Gebäude mit großzügigem Laboratorium verlegte. 1777 hielt er seinen Antrittsvortrag an der Akademie der Wissenschaften in Stockholm und legte dort sein Apothekerexamen ab. Angebote auf lukrative Stellen, etwa als chemischer Bergwerksberater in Falun (Schweden) oder Nachfolger von Andreas Sigismund Marggraf (1709–1782) in Berlin, schlug er aus, um sich in Köping neben seiner Arbeit als Apotheker seinen Forschungen zu widmen.

Scheeles erhalten gebliebene Laborjournale belegen, dass er 15 000 bis 20 000 chemische Experimente ausgeführt hat. Retzius nannte 1770 Scheele erstmalig in seiner Publikation „Versuche mit Weinstein und dessen Säure“; es gilt als gesichert, dass Scheele die hier erwähnten Versuche vorgenommen hat. Nach der Isolierung der Weinsäure gelang es Scheele, weitere organische Säuren in Pflanzen nachzuweisen wie Oxalsäure – von Scheele als Klee- bzw. Zuckersäure bezeichnet –, Zitronen-, Äpfel- und Gallussäure, Milch-, Benzoe-, Schleimsäure (bei Scheele Milchzuckersäure) und Harnsäure, von Scheele als Blasensteinsäure benannt. Scheeles Isolierung von Säuren aus Pflanzen veranlasste den Apotheker Friedrich Wilhelm Sertürner (1783–1841) zu der Annahme, dass Wirkstoffe in Pflanzen Säuren sein müssen, ehe er 1805 das erste Alkaloid, das Morphin, aus Opium gewann.

Die Entdeckung des Glycerols (Glycerin) gelang Scheele bei der Bleipflasterherstellung. Untersuchungen des Flussspats (CaF2) führten ihn 1770/71 zur Entdeckung der Flusssäure (HF). Scheeles bedeutendste Entdeckung war die des Sauerstoffs. Er stellte bei seiner Beschäftigung mit Braunstein (MnO2) 1770 fest, dass bei dessen Erhitzen glühende Kohlepartikel, die über den Tiegel geweht wurden, heller aufleuchten. 1771 untersuchte er das beim Erhitzen von Braunstein mit konzentrierter Schwefelsäure entstehende Gas, nannte es „Vitriol-Luft“ (Sauerstoff) und erkannte, dass es atmungs- sowie verbrennungsfördernde Eigenschaften besitzt. Ähnliche Ergebnisse erbrachte das Erhitzen von Quecksilberkalk (Quecksilberoxyd), bei dem gleichfalls „Vitriol-Luft“ entstand. Obwohl Scheele in seinen erhalten gebliebenen Briefen ausschließlich über seine Experimente berichtete, bewahrte er bis zur Veröffentlichung seiner 1775 an seinen Verleger gesandten Schrift „Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer“ (1777) über die Entdeckung des Sauerstoffs Stillschweigen. Der nur qualitativ arbeitende Scheele beschrieb darin die Darstellung und die Eigenschaften des Sauerstoffs. Er blieb Anhänger der Phlogistontheorie, nach der Verbrennungsvorgänge als Entweichen des fiktiven Stoffes Phlogiston erklärt wurden. 1774 entdeckte unabhängig von Scheele der englische Geistliche Joseph Priestley (1733–1804) gleichfalls Sauerstoff beim Erhitzen von Quecksilber(II)-oxid. Antoine Laurent de Lavoisier (1743–1794) arbeitete die Versuche nach und lieferte die Erklärung für die Verbrennung (Oxidation).

Scheele, der keine Schüler hatte, war an der Entdeckung weiterer Elemente beteiligt, zum Beispiel Chlor, Stickstoff, Barium, Molybdän und Wolfram und stellte zahlreiche anorganische Verbindungen, wie Borsäure, salpetrige Säure, Nitrosylschwefelsäure, Arsensäure, Schwefelwasserstoff und Arsenwasserstoff her. Das von ihm 1778 erstmalig produzierte Gemisch von basischem und neutralem Kupferarsenit (CuHAsO3) fand als Farbstoff unter dem Namen „Scheeles Grün“ Verwendung. Tungstein (Kalziumwolframat), aus dem Scheele Wolframsäure gewann, erhielt von Abraham Gottlob Werner (1749–1817) den Namen „Scheelit“. Einige chemisch-technische Verfahren haben in Scheeles Entdeckungen ihren Ursprung, wie Chlorbleiche, Fotografie, Sodagewinnung, Glasfärbung bzw. Entfärbung mit Braunstein, Bleiweißherstellung, Gewinnung von Phosphor aus Knochenasche und Pasteurisieren, d. h. das Abtöten von Mikroorganismen durch Wärme. Ferner entwickelte er einige Nachweisreaktionen, wie die des Sulfats mit löslichen Bariumsalzen, des Kalziums mit löslichen Oxalaten und der Harnsäure mit der Murexit-Reaktion und leistete als Apotheker einen Beitrag zur „Pharmacopoea Svecica“, dem schwedischen Arzneibuch.