Charles-Amable Battaille naît à Nantes le 30 septembre 1822, dans une famille où l'on pratique la médecine. Suivant d'abord cette voie, il étudie la médecine à Caen et y est reçu docteur — une formation scientifique qui marquera profondément sa réflexion ultérieure sur la voix. Attiré par le chant, il entre au Conservatoire de Paris en 1845, où il devient l'élève de Manuel García (le jeune), le pédagogue qui domine alors l'enseignement vocal européen. En 1847, il remporte les premiers prix de chant, d'opéra et d'opéra-comique, consécration qui lui ouvre immédiatement les portes de la scène.
Son début a lieu le 22 juin 1848 à l'Opéra-Comique, dans le rôle de Sulpice de La Fille du régiment de Donizetti. Doté d'une voix de basse chantante ample, ronde et bien timbrée, doublée d'une intelligence dramatique remarquée par la critique, il s'impose rapidement comme l'une des basses majeures de la maison. Il crée de nombreux rôles dans les ouvrages des compositeurs les plus en vue de son temps — Halévy, Adam, Ambroise Thomas et Meyerbeer. Parmi ces créations figurent un rôle dans Le Val d'Andorre de Halévy (1848), Le Toréador d'Adam (1849), ainsi que le personnage de Pierre le Grand dans L'Étoile du nord de Meyerbeer (1854), l'un de ses grands succès.
En 1851, alors qu'il est en pleine carrière, Battaille est nommé professeur de chant au Conservatoire de Paris, fonction qu'il occupera durablement et qui orientera son œuvre vers la transmission et la théorie. Sa carrière scénique est toutefois brisée par une affection laryngée qui le contraint à quitter la scène en 1857. Après un retour par la province et le Théâtre-Lyrique, il reparaît notamment dans Philémon et Baucis de Gounod (1860), avant de renoncer définitivement à la scène en 1863.
C'est dans ces années que Battaille donne toute la mesure de sa singularité : croisant son ancienne formation médicale et son expérience de chanteur, il publie une étude en deux parties sur l'art vocal. La première, Nouvelles recherches sur la phonation, est un mémoire lu à l'Académie des sciences le 15 avril 1861. La seconde, De la physiologie appliquée à l'étude (au mécanisme) du chant, mémoire lu à l'Académie des beaux-arts et précédé d'un rapport de la section de composition musicale, paraît en 1863. L'ensemble s'inscrit dans son projet plus large De l'enseignement du chant et nourrit sa Méthode complète et pratique de chant pour les voix de baryton et de basse chantante, ouvrage divisé en quatre livres. Par cette approche physiologique et expérimentale de la voix, Battaille se range parmi les pédagogues savants de la grande tradition issue de García, cherchant à fonder l'art du chant sur la connaissance scientifique du mécanisme vocal.
Retiré de la scène, il revient à ses premières vocations : nommé sous-préfet à Ancenis en 1870, il se distingue par son dévouement auprès des malades lors d'une épidémie de variole. Il meurt à Paris le 2 mai 1872, à l'âge de quarante-neuf ans, laissant le souvenir d'un artiste complet — chanteur applaudi, professeur influent et théoricien novateur de la voix.
Écrits (d'après le Dictionnaire des compositeurs de musique en Bretagne) — Chanteur (basse) de l'Opéra-Comique, Charles-Amable Bataille ne semble pas avoir composé lui-même, mais écrivit d'importants ouvrages sur l'enseignement du chant : Nouvelles recherches sur la phonation, mémoire lu à l'Académie des Sciences en 1861 ; De l'enseignement du chant (1863) ; Du chant et des chanteurs, conférences de l'Association Philotechnique (1865), ces trois volumes parus à Paris chez V. Masson et Fils.