Caio Márcio Santos é bacharel em violão clássico sob a orientação de Paulo Pedrassoli Jr. e em composição erudita sob orientação de Luis Carlos Cseko, Armando Lobo e Bryan Holmes pelo Conservatório Brasileiro de Música. Participou de cursos complementares sobre improvisação com Hélio Delmiro, Lula Galvão, Genil Castro e Nelson Faria, e sobre composição com Antonio Guerreiro de Faria, Tim Rescala, Alexandre de Faria, David Tygel e Alexandre Negreiros.
Caio já dividiu palco com nomes nacionais e internacionais, dentre os quais se destacam: Paulo Sérgio Santos, Yamandú Costa, Quinteto Villa-Lobos, Hamilton de Holanda (Baile do Almeidinha), Bebê Kramer, Lula Galvão, Nicolas Krassik, Zé da Velha e Silvério Pontes, Alessandro Penezzi, Christina Von Büllow, Morten Ankarfeldt, Chico Pinheiro, Arismar do Espírito Santo, Tiago Espírito Santo, Kliff Korman, Guinga , Hélio Delmiro, Marcelo Caldi, Rogério Caetano, Daniel Santiago, Durval Ferreira, Jaques Morelenbaum, Gabriel Grossi, Edu Neves, Lenine, Maria Bethânia, Elza Soares, Chico César, Pedro Luís, Fátima Guedes, Roberta Sá, Zélia Duncan e Joyce Moreno.
Em 2012 lançou o disco Rio em Vermelho e Azul (gravadora Calibrated Music), em parceria com o baixista dinamarquês Morten Ankarfeldt, com quem dividiu arranjos e composições.
Em 2013 formou o Rio Jazz 4 com Christina Von Bullow (sax), Morten Ankarfeldt (contrabaixo) e Cassius Theperson (bateria), registrado em novo disco (Rio Jazz, gravadora Calibrated Music).
Em 2014 foi contemplado com o Prêmio Funarte de Composição Clássica pela peça Variações livres para quinteto de sopros, que estreou na Bienal de Música Contemporânea de 2015.
Concluiu curso de pós-graduação em teoria e prática da interpretação na Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro (UNIRIO, 2015 a 2017), com apresentação da dissertação Improvisação Jazzística: o uso de scripts como ferramenta de estudo, sob orientação de Luiz Otávio Braga.
Em 2018, na cidade de Montréal (Canadá), Caio participou de concertos ao lado de grandes nomes da cena canadense, como Joel Miller (sax) e Carlos Jiménez (guitarra).
Em maio de 2018 estreou a primeira grande produção de trilha cinematográfica original – para o filme Antes Que Eu Me Esqueça, de Tiago Arakilian, produzido pela Fox Filmes Internacional e por Globo Filmes.
Em discos, destacam-se as gravações: Gargalhada (Paulo Sérgio Santos Trio, Kuarup, 2001); Tira Poeira (Biscoito Fino, 2003); Feijoada Completa (Biscoito Fino, 2008) e Radamés em Companhia (Biscoito Fino, 2006).