Charles Levens naît à Marseille le 24 septembre 1689. Confié très jeune à la maîtrise (psallette) de la cathédrale Sainte-Marie-Majeure de Marseille, où il entre vers novembre 1700, il y reçoit une formation complète de musicien d'Église — chant, basse continue, basson et viole de gambe — sous la direction notamment de Melchior Barrachin et de l'organiste Charles Desmazures. Cette éducation provençale, soignée et rigoureuse, fait de lui un musicien d'Église accompli au moment où il quitte la maîtrise vers 1709.
Après son départ de Marseille, Levens mène une carrière itinérante dans le Midi de la France, séjournant notamment à Bordeaux et à Toulouse. C'est durant ces années qu'il rencontre Jeanne Dorothée Sauzéa, avec laquelle il vit d'abord en union libre avant un mariage discrètement célébré le 5 mai 1723 à l'église Sainte-Eulalie de Bordeaux. Le couple eut une nombreuse descendance, dont seuls quelques enfants atteignirent l'âge adulte ; sa fille Jeanne épousa l'un de ses anciens élèves, Jean-François Bordes.
En 1718, le chapitre de la cathédrale Saint-Pierre de Vannes lui offre la charge de maître de musique. Levens gagne alors la Bretagne, où il est officiellement installé en avril 1719 et demeure jusqu'en 1723. Ce passage breton, qui justifie son inscription au patrimoine musical de la Bretagne, le voit diriger la musique de l'une des principales cathédrales du duché. En juin 1723, il quitte Vannes pour devenir maître de musique de la cathédrale Saint-Étienne de Toulouse, où il dirige la maîtrise pendant plus d'une décennie.
En novembre 1738, Charles Levens accepte la direction de la psallette de la cathédrale Saint-André de Bordeaux. Il occupera ce poste prestigieux jusqu'à sa mort, faisant de Bordeaux le foyer durable de son activité créatrice et pédagogique. Sa réputation déborde alors largement le Sud-Ouest : son nom est connu dans une grande partie du royaume et jusqu'à la cour de Versailles dans les années 1740 et 1750. Il est aujourd'hui considéré comme l'un des principaux maîtres de chapelle provinciaux de la première moitié du XVIIIe siècle.
L'œuvre conservée de Levens relève essentiellement de la musique sacrée latine. On lui doit un Te Deum, plusieurs grands motets — parmi lesquels Deus noster refugium (mise en musique du psaume 45) et Dixit Dominus — ainsi que deux Messes des morts (Requiem) composées pour la cathédrale de Bordeaux. Ces partitions, longtemps oubliées, ont été redécouvertes et enregistrées au début du XXIe siècle, révélant un compositeur au métier solide, héritier du grand motet versaillais adapté aux ressources d'une maîtrise provinciale.
Levens fut aussi un théoricien. En 1743, il publie à Bordeaux, chez Chapuis, l'Abrégé des règles de l'harmonie, pour apprendre la composition, avec un nouveau projet sur un système de musique sans tempérament ni cordes mobiles. Ce traité, qui propose une réflexion originale sur l'accord et le système tonal, contribua à établir sa renommée bien au-delà du Midi et range son auteur parmi les théoriciens dont les recherches accompagnèrent l'évolution de l'écriture harmonique au siècle de Rameau.
Charles Levens meurt à Bordeaux le 11 mars 1764, à l'âge de 74 ans, après une longue maladie. Quelques jours après sa disparition, à l'initiative de Nicolas Mahé, les musiciens de la cathédrale Saint-André exécutèrent en son honneur un Te Deum de sa composition — hommage révélateur de la place qu'il occupait dans la vie musicale de son temps.
