Nie znamy dokładnej daty urodzin księcia Kazimierza Bytomskiego. Przyjmuje się, że urodził się pomiędzy rokiem 1253 a 57, prawdopodobnie w Opolu jako drugi syn Władysława Opolskiego i wielkopolskiej księżniczki Eufemii.
Na scenie politycznej pojawił się w roku 1264, kiedy to wraz z ojcem i starszym bratem Bolkiem przybył na dwór czeskiego króla Przemysła Otokara II. Zachowała się informacja, że obaj bracia zostali wówczas pasowani przez króla na rycerzy. Obaj też odtąd towarzyszyli stale ojcu.
W roku 1278 ożenił się z nieznanego pochodzenia Heleną. Historycy przypuszczają, że była ona córką księcia Lwa I Halickiego i siostrą księcia halickiego Jerzego I. Przypuszcza się także, że jej dwaj młodsi synowie - Siemowit i Jerzy pod koniec roku 1324 zasiedli na tronie halicko-wołyńskim.
Gdy w roku 1281 zmarł książę Władysław Kazimierz i jego starszy brat Bolesław objęli wspólnie rządy nad księstwem opolskim. Już w trzy lata później książęta dokonali jednak podziału ojcowizny i Kazimierzowi przypadło w udziale księstwo bytomsko-kozielskie z Toszkiem, Gliwicami i Siewierzem.
Pod koniec lat 80 XIII wieku poparł biskupa wrocławskiego Tomasza Zarembę w jego konflikcie z wrocławskim księciem Henrykiem Probusem. W efekcie tego poparcia Probus dokonał najazdu na księstwo bytomsko-kozielskie. Co ciekawe jego brat Bolesław znalazł się w obozie przeciwnika.
Szukając oparcia przeciwko rosnącemu w siłę Probusowi Kazimierz jako pierwszy ze śląskich książąt 10 stycznia 1289 roku złożył w Pradze hołd królowi czeskiemu. Zapoczątkowało to proces uzależniania Śląska od Czech. Po wygaśnięciu czeskiej dynastii Przemyślidów w roku 1306 Kazimierz związał się z nowym księciem krakowskim Władysławem Łokietkiem.
W tym samym roku jego córka Maria została żoną węgierskiego króla Karola Roberta co podniosło prestiż królewskiego teścia.
Kazimierz Bytomski zmarł 10 marca 1312 roku. Pochowano go prawdopodobnie w klasztorze w Czarnowąsach pod Opolem.