Titulaire de l'agrégation de grammaire en 1876, René Cagnat épouse Geneviève Hauvette, dont le père est spécialiste du sanskrit et les frères professeurs de grec et de littérature italienne à la Sorbonne. Sous l'influence d'Ernest Desjardins, il se spécialiste en épigraphie latine et soutient sa thèse de doctorat en 1880 : "Étude historique sur les impôts indirects chez les Romains jusqu'aux invasions des Barbares". Parrainé par le grand épigraphiste Léon Rénier, ami de son père, il est chargé d'une mission de relevé des inscriptions latines en Tunisie. Il explore le pays pendant trois ans et notamment les sites de Chemtou, El-Djem, Sbeïtla, Haïdra et publie ses résultats dans les "Archives des missions scientifiques et littéraires" entre 1881 et 1886.

Il est nommé secrétaire de la Commission d'Afrique du Nord, où il centralise les documents archéologiques et épigraphiques trouvés en Algérie, Tunisie, Maroc. Chargé du cours d'épigraphie à la faculté de Douai, il écrit le manuel méthodique toujours reconnu aujourd'hui Cours d'épigraphie (1885). En 1887, il succède à Léon Renier et Ernest Desjardins sur la chaire d'épigraphie et d'antiquités romains du Collège de France. Il est inspecteur des musées d'Algérie de 1887 à 1914 et participe à l’organisation des fouilles des sites de Timgad, Djemila, Tebessa, Lambèse,... Président de la section d'archéologie du comité des travaux historiques et scientifiques et président de la Société française des fouilles archéologiques, il publie plusieurs catalogues des musées d'Algérie et de Tunisie, et dirige l’"Atlas archéologique de la Tunisie" (1892-1912).