Le livre est une suite de récits brefs, sans ordre chronologique : la chasse avec le père, les corvées imposées par la mère, les rapports avec la bonne et le parrain. Chaque scène, courte et resserrée, expose une situation de la vie familiale et la conclut par un trait, souvent cruel. Les personnages principaux sont François, dit Poil de Carotte ; Madame Lepic, sa mère, hostile ; Monsieur Lepic, son père, indifférent ; Félix et Ernestine, son frère et sa sœur.
Le récit, à la troisième personne, adopte le regard de l'enfant tout en le tenant à distance. Renard s'est servi de ses propres souvenirs, mais il ne se confond pas avec son héros : le texte est une œuvre composée, pas un témoignage.
Poil de Carotte assure à Renard sa notoriété et reste l'œuvre la plus connue de l'auteur. L'adaptation théâtrale de 1900, avec André Antoine, la popularise, et l'édition de 1902 achève de fixer le texte. Le livre a ensuite été adapté à de nombreuses reprises : au cinéma, notamment par Julien Duvivier en 1925 et en 1932, puis par Paul Mesnier en 1952 et Henri Graziani en 1973 ; à la télévision ; en bande dessinée. Une statue du personnage orne le centre de Clamecy, dans la Nièvre.
Poil de Carotte montre ce qu'est une enfance malheureuse sans larmoiement, avec une ironie qui fait de la violence ordinaire une matière comique et terrible. Le livre a installé dans la mémoire collective un personnage devenu familier. Il met aussi en lumière l'art de Renard : la phrase brève, l'ellipse, l'image qui frappe. À lire pour la finesse de son regard et pour la force de son sujet, toujours actuelle.