Nato nel frosinate, si trasferì a Roma, dove già nel 1582 lavorava nella bottega di Pomarancio, impegnata nelle Logge Vaticane. L’anno seguente, appena quindicenne, entrò nell’Accademia di San Luca di cui più volte sarà nominato principe nel corso della sua carriera. Sotto il pontificato di Sisto V Peretti (1585-90) Giuseppe si affermò con affreschi per il chiostro della Trinità dei Monti (Canonizzazione di san Francesco di Paola) e per San Lorenzo in Damaso (perduti). Negli anni seguenti fu attivo nella Cappella Olgiati a Santa Prassede e nella cappella Contarelli in San Luigi dei Francesi, la stessa in cui pochi anni dopo lavorerà Caravaggio, che nel 1593 era entrato nella sua bottega. Resta ancora oggi uno dei motivi di massima notorietà per il Cavalier d’Arpino essere stato il maestro del più celebre pittore di quegli anni.
Tra i capolavori di Giuseppe Cesari si ricordano l’Ascensione in San Giovanni in Laterano, la direzione dei mosaici per la cupola di San Pietro, gli affreschi per villa Aldobrandini a Frascati e per la Cappella Paolina a Santa Maria Maggiore