Com molts dels cantants castrats del Barroc, adoptà el nom del seu primer protector, Cesare Bontempi. Al servei del cardenal Francesco Barberini, estudià amb Mazzocchi, i després, del 1643 al 1650, fou cantor a Sant Marc de Venècia amb Monteverdi i Cavalli. Més tard s’establí a Dresden, i el 1656 fou nomenat mestre adjunt de Schütz i de Vincenzo Albrici. El 1680, en morir l’elector Joan Jordi II, tornà a Itàlia i, malgrat exercir de mestre de capella a Foligno, es dedicà principalment a l’estudi i a escriure. Bontempi és important sobretot per la seva contribució a l’arrelament de l’òpera italiana a Alemanya. L’òpera Paride, que compongué en ocasió de les noces del marcgravi de Brandenburg i de la princesa de Saxònia (1662), fou la primera escrita a l’Alemanya del nord, i Dafne és l’òpera més antiga conservada de les compostes a Alemanya. Personatge erudit, escriví una interessant història de la música, bé que poc innovadora en els seus plantejaments (Historia musica, 1695), un tractat de contrapunt (Nova quatuor vocibus componendi methodus, 1660) i un llibre de teoria matemàtica dels sons, a banda de llibres d’història i tractats d’arquitectura.