褚彥回幼年時期就有高潔的聲譽。宋朝元嘉末年，魏軍逼近瓜步，百姓都整好東西，準備逃走。當時他的父親褚湛之做丹陽尹，讓他的子弟都穿著草鞋，在齋房前練習走路。有人譏笑他，褚湛之說：「這是安不忘危。」褚彥回當時年齡十幾歲，很覺得慚愧。褚湛之有一頭牛，是他最喜歡的，無故地掉在了堂屋前面的井裡，褚湛之率左右眾人親自營救，郡中非常喧鬧，褚彥回放下門簾不看。又有一個僕役偷了他的衣服，褚彥回遇見了，對他說：「可以嚴密地把它藏起來，不要讓別人看見。」這個僕役很慚愧地走了，不敢再回來，後來褚彥回富貴了，那個人又回來謝罪，褚彥回待他和起初一樣。
褚彥回與宋文帝的女兒南郡獻公主結婚，被任命為駙馬都尉，授職著作佐郎，逐漸調任秘書丞。褚湛之死後，褚彥回把財產全部推給弟弟褚澄，只取書幾千卷。褚湛之有兩廚寶物，在褚彥回的生母郭氏那裡，他的嫡母吳郡主去要，郭氏企圖不給，褚彥回說：「只要彥回在，怎麼還怕沒有錢？」郭氏還是不給，褚彥回流著眼淚堅持請求，才答應他了。後來承襲了都鄉侯的爵位，曾擔任尚書吏部郎。
景和時期，山陰公主婬蕩放肆，窺見了褚彥回，很喜歡他，就告訴了前廢帝，廢帝就召褚彥回到西上閣住宿十天，公主就在夜間去那裡找他，用盡鎊種辦法逼迫，褚彥回嚴肅地站在那裡，從晚上直到早晨，不為她動搖心志。公主對他說：「您的鬍鬚像戟矛，為什麼卻沒有丈夫意氣？」褚彥回說：「彥回雖然不聰慧，怎麼敢帶頭進行婬亂？」
宋明帝即位，逐步陞遷為吏部尚書。有人找他求官，秘密地在袖子裡藏了一塊金子，請求他在閒暇的時候單獨談話，拿出金子來給他看，說：「別人都不知道。」褚彥回說：「您自己應該得官，用不著這種東西。如果一定要送我，那就不得不上報了。」這個人非常害怕，收起金子走了。褚彥回向別人說起這件事，而不說他的名字，當時的人都不知道他。
明帝在地方任職的時候，與褚彥回因為風格同一向友好，到現在則對他深深地委任和信賴，提出什麼事情一概聽從。改封他為雩都伯，曾任侍中，兼尚書、右衛將軍。
褚彥回儀表很美，講究舉止，俯仰進退，都很有風度。每當朝會，百官和遠國的使節，無不翹首目送他。明帝曾經慨歎說：「褚彥回能遲緩行步，就可以當宰相了。」當時的人把他比作何平叔。他們曾經聚集在袁粲家中，初秋的一個涼爽的晚上，風月很美，褚彥回拿來琴，奏起了《別鶴》的曲子，音調準確，氣韻流暢。王..、謝莊都在袁粲的座席上，擊著拍子歎息說：「以沒有牽累的精神，配上具有韻律的樂器，樂調暫時離開，也不會立刻停止。」
當時的鄙賤人常珍奇和薛安都叛亂，投降來、叛變去不止一次。後來又請求投降，明帝給予他很重要的職位。褚彥回說保全他的腦袋，就已經算是寬宏，不值得大加特殊的恩寵。明帝不聽。常珍奇不久又叛變。
褚彥回後來擔任吳興太守，明帝臥病危險，派遣使者馳馬去召他，想托付後事。等到召進來，明帝坐在帳中流著眼淚說：「我近來病危，所以召見卿，想讓你穿黃羅裙。」他指著床頭上的大匣子說：「文書都在匣子裡邊裝著，這個匣子不能再打開。」褚彥回也悲傷得不能自制。黃羅裙，是他乳母的衣服。明帝即使在小時候，就懷著對身後的考慮。建安王劉休仁，人才優秀，眾人尊崇，明帝找褚彥回謀劃把他殺掉，褚彥回認為不可以這樣。明帝發怒說：「卿呆癡，不值得跟你討論事情。」褚彥回恐懼而遵奉了他的意旨。又做了吏部尚書、衛尉卿、尚書右僕射，因為母親年老有病，早晚需要奉養，所以要求辭去衛尉卿，沒有准許。
明帝去世，遺詔讓他擔任中書令、護軍將軍，他與尚書令袁粲一同受到顧命，輔佐幼主。袁粲等人雖然同被托付，而主要用意則在褚彥回。褚彥回與他們同心處理政事，務求節省簡約，百姓十分信賴。不久王道隆、阮佃夫掌權，賄賂公行，褚彥回已經不能禁止了。
遭到了生母的喪事，他過度哀傷很快身體消瘦不能辨認，他整整一年沒有洗澡梳頭，只有在哭泣流淚的時候才可以見到他本來的形貌。詔令截止哭泣，禁止客人弔喪。葬罷以後，起用為中軍將軍，本來的職務不變。
元徽二年(474)，桂陽王劉休范造反，褚彥回與衛將軍袁粲入內保衛皇宮，鎮定凝聚大眾的人心。褚彥回起初做丹陽尹，曾經和他的弟弟褚癤同坐一輛車子，路上遇到齊高帝，褚彥回舉手指著高帝的車子對褚癤說：「這不是一個平常的人。」後來出任吳興太守，高帝贈物告別，褚彥回又對別人說：「這個人才貌不凡，將來不可預料。」等到顧命期間，引拔高帝參與掌權。
高帝平定了桂陽，調任中領軍，兼任南兗州刺史，高帝堅持推讓，給褚彥回和衛軍袁粲上書陳述自己的心情，褚彥回、袁粲不答應，高帝才接受了命令。這一年任命褚彥回為尚書令、侍中，配給儀仗二十人，他堅持辭讓。元徽三年，晉陞爵位為侯。服喪期滿，改授他為中書監，侍中、護軍職務依舊，配給樂隊一支。
當時淮水屬於北朝，江南不再有鰒魚，偶爾有人輾轉得到的，一條值幾千錢。有人贈給褚彥回鰒魚三十條，褚彥回當時雖然高貴，但是過於貧窮，有的僕人獻計把它賣掉，說可以得到十萬錢。褚彥回臉色一變說：「我覺得這是食物，不是財貨，而且不知道可以賣錢，姑且接受。雖然家中節儉困乏，怎麼可以賣掉贈送的東西換錢呢？」結果全部給了親朋去吃，不幾天便吃完了。
第二年，嫡母吳郡公主去世，哀傷過甚，極為消瘦。葬罷，詔令他代職，堅持推辭，又因為週年祭禮來到，上表解職，都沒有准許。
蒼梧王的暴虐逐漸加劇，齊高帝與褚彥回及袁粲談論時事，袁粲說：「主上年幼，微小的過失容易改正，伊尹、霍光的做法，不是衰世所能做的，縱使成功了，也終於沒有完整的土地。」褚彥回默不作聲，傾心於高帝。等到蒼梧王被廢除，公卿們在一起商議，袁粲、劉彥節都不肯接受委任，褚彥回說：「除了蕭公沒人能了結此事。」手取用物交給高帝。高帝說：「大家都不肯，我怎麼能再推辭！」事情才安定下來。順帝登基，改稱褚彥回為衛將軍、開府儀同三司，侍中職務依舊，衛士五十人入殿。
等到袁粲懷了叛逆之心，說：「褚公眼睛中白色很多，就是所謂白虹貫日，滅亡宋朝的最終是這個人。」後來有一天，袁粲對褚彥回說：「國家所依賴的，只有您和劉丹陽及袁粲罷了，希望各人自勉，不要讓竹帛所寫的史書笑話我們。」褚彥回說：「希望把我的心放到您的肚子裡就可以了。」然而終於不能堅貞固守。
到了高帝輔政，王儉提議為高帝加黃鉞，任遐說：「這是大事，應該報告褚公。」高帝說：「褚公如果不給，您將怎麼辦？」任遐說：「褚彥回保護妻子，愛惜生命，並沒有奇才異節，我能制服他。」果然褚彥回沒有反對。
後來沈攸之事件發生，高帝召褚彥回謀劃，褚彥回說：「西夏發難，事情必定不會成功，您應當首先防備內部。」高帝秘密地進行了防備。事情平定，晉陞為中書監、司空。
齊台建立，褚彥回告訴高帝，引用何曾由魏朝的司徒任晉朝的丞相為例，請求做齊官。高帝很謙虛但沒有准許。建元元年(479)，晉陞職位為司徒，侍中、中書監職務依舊，改封為南康郡公。褚彥回辭讓司徒，便給僕射王儉寫信，想依照蔡謨的事例。王儉認為不應該這樣說，勸褚彥回接受任命。但終於沒有就任。不久任命為尚書令。建元二年，重申前次的命令為司徒，又堅持推讓。
魏軍出動，高帝打算發動王公以下無官的人去從軍，褚彥回上諫認為對實用沒有好處，空致擾動，皇上才停下來了。
建元三年七月，高帝親嘗醇酒，盛夏的時候想夜間出去，褚彥回與左僕射王儉進行勸諫，認為：「從漢宣帝以來，不在夜間進入宗廟，用以防備異常事情的發生。君主極為重要，是應該謹慎行事的。」高帝聽從了他。
當時朝廷的機要事情，褚彥回大多參與謀議，常常被採納，很受禮遇。有一次皇上大開宴席，酒後對朝臣說：「卿等都是宋朝時的公卿，怕也沒有料到我應該得到天子。」王儉等人還沒來得及回答，褚彥回拿著手板說：「陛下不能說臣沒有早識龍顏。」皇上笑著說：「我有愧於文叔，知道您是朱祜已經很久了。」
褚彥回善於彈奏琵琶，齊武帝在東宮舉行宴會，賜給他金縷柄銀柱琵琶。他性格溫和典雅，有度量，不亂作舉動。他的宅院中曾經失火，煙氣和火焰逼人，左右的人驚慌紛亂，褚彥回神色安然，找了一輛車子慢慢離去。然而世人卻常常以名節非議他，當時百姓俗語說：「可憐石頭城，寧為袁粲死，不作彥回生。」
高帝逝世，遺詔任命褚彥回為錄尚書事。江東建都以來，沒有單獨任命為錄尚書事的，有關部門懷疑應該立下優文還是策書。尚書令王儉提議，認為「現居本官，另外任命為錄尚書事，應該有策書，而過去的史書不載。中葉以來，三公王侯，則策書優文並設；官品第二，用策書而不用優文。優，就是讚美；策，則兼以說明委寄。尚書職務居於天官，是政治教化的根本，所以尚書令品級雖然第三，任命必定有策書。錄尚書品級不見記載，而總領的職守更重，前代大多和本官同時任命，所以不再另外有策書。根據事實推論情理，不能夠等同於一般官員，應該有策書，用以表明隆重。既然不同於王侯，也就用不著優文了」。於是就聽從了他的說法。很快增加褚彥回的儀仗為三十人，五天上朝一次。
不久褚彥回生病臥床。褚彥回少年時候曾經病得很重，夢見有人把一套算命的卜蓍送給他，隨後就發現少了其中一個，到現在已經四十八歲了，年初就臥病。而太白星和熒惑星相繼侵犯上將星，褚彥回擔心不能再起來，上表請求退職。武帝不准許，於是改任他為司空、驃騎將軍，侍中、錄尚書事職位依舊。去世的時候年齡四十八歲，家中沒有餘財，欠債數十萬，詔令賜給東園的秘密寶器。
當時司空的佐官因為褚彥回沒有上任，懷疑是否應該對他使用屬官的禮節，王儉論證說：「依照《禮》，新娘在出嫁的路上，聽到丈夫家有了喪事，改服而入。現在佐官雖然沒有隨同工作，但是屬吏的禮節是由天朝規定的，應該表示以禮相敬。」司徒府的官吏又因為褚彥回已經解職，而沒有接受新的任命，府中的佐官是否應該為他服喪呢？王儉又論證說：「依照本朝中葉士孫德祖從樂陵調任到陳留，還沒有入境，去世了，樂陵郡的官吏依照晉見太守的禮節，陳留迎接的官吏依照『娶女有吉日，以齊衰弔喪』。司徒府應該依照所居的官位來定喪服。」又詔令贈他為太宰，侍中、錄尚書、南康郡公依舊不變，增加儀仗為六十人，送葬的禮儀完全依照宋朝太保王弘的舊例，謚號為文簡。在此以前，庶姓的三公，喪車沒有固定的規格，王儉建議官品第一，都加旗幟和網絡，就是從褚彥回開始的。又詔令褚彥回的妻子、宋朝已故巴西主的墓道暫時開啟，應該追贈為南康郡公夫人。