Dès l’âge de quatorze ans, Charles Pensée, né à Épinal en 1799, est formé par son oncle Henry Hogard, géomètre et arpenteur forestier. L’apprentissage de la géométrie et du dessin permettent au jeune homme de se faire engager comme conducteur aux Ponts-et-Chaussées. Il travaille, à partir de 1819, sous la direction de l’ingénieur Jean-Baptiste Prosper Jollois (1776-1842) qui avait été formé à l’archéologie lors de l’expédition d’Égypte. En 1820, dans le cadre du recensement des antiquités des départements, une commission est créée à Épinal avec, notamment, Jollois et Hogard. Tous deux étudient des sites archéologiques vosgiens dont les dessins, destinés à accompagner les rapports de Jollois, sont confiés à Pensée. Ce travail est déterminant dans sa carrière et pour son goût des antiquités, des monuments et des paysages. Quand Jollois est muté à Orléans pour étudier et recenser les antiquités du département du Loiret, Pensée le suit dans cette mission dès octobre 1822.

Après deux années de travail avec Jollois, le projet de Pensée est alors de retourner à Épinal auprès de sa mère. Mais une opportunité lui permet de se reconvertir dans l’enseignement du dessin d’art. Afin de s’y préparer, il prend des cours à Paris pour pratiquer l’aquarelle, la peinture à l’huile et le dessin.

Il commence alors son enseignement, s’intégrant dans la ville qui est devenue la sienne et qu’il ne quittera plus, même après le départ de Jollois pour Paris en 1830. Jusqu’à sa mort, Charles Pensée demeure à Orléans, ne retournant dans les Vosges que pour quelques courts séjours dans sa famille. Resté célibataire, il vit au 13 rue de la Bretonnerie avec ses sœurs : Amélie puis, au décès de celle-ci, Sophie.

Charles Pensée est un artiste fécond, travaillant surtout le dessin et l'aquarelle. Ses peintures à l’huile sont beaucoup plus rares telle qu’une vue du pont d’Olivet. Il expose régulièrement ses aquarelles au Salon de Paris entre 1831 et 1870. Grâce à ses travaux sur le patrimoine historique, il est nommé en 1843 correspondant du ministère de l’Instruction publique pour les travaux historiques, sur proposition du Comité historique des arts et monuments.

En 1855, Pensée offre une aquarelle à l’impératrice Eugénie, qui lui passe alors commande d’une seconde pour son album personnel. Il figure également parmi les quinze artistes français désignés pour exécuter des aquarelles des paysages prisés par la reine Victoria lors de son séjour en France en 1860.

À sa mort, plus de 3 500 dessins sont dispersés en ventes publiques en 1871 et 1872. Dans sa nécrologie, l’abbé Desnoyers met l’accent sur l’action de Charles Pensée en faveur de la sauvegarde des monuments : « Il fut un éminent artiste dont le crayon a conservé tant de monuments orléanais tombés depuis sous le marteau des démolisseurs et qui a, par cela même, contribué pour une large part au développement de la science archéologique. »