Torinóban végzett orvosi tanulmányokat, majd kapcsolatba került Antoine Lavoisier-val, és segítségére volt a kémiai nevezéktan megreformálásában. A ciánhidrogénnel (kéksavval) és kénhidrogénnel végzett kutatásai alapján nem osztotta Lavoisier meggyőződését, mely szerint az oxigén minden sav nélkülözhetetlen alkotórésze lenne. Berthollet felfedezte az ammónia összetételét (1785) és bevezette a klórt mint fehérítőszert.
A francia forradalom alatt sok tudományos bizottságban dolgozott, és 1792-ben az állami pénzverde kormánybiztosa lett. A mezőgazdaság kijelölt biztosaként és a műszaki főiskolák professzoraként (1794) segítette az akadémiának Institut National néven folyó újraszervezését (1795). 1796-ban egy Itáliába küldött bizottságot vezetett, amely azt a feladatot kapta, hogy Párizs nemzeti galériái részére kiválassza a legjobb régi és modern művészeti alkotásokat. Elkísérte Napóleont egyiptomi hadjáratára (1798), s ott segítséget nyújtott az Institut National mintáját követő intézet létrehozásában. Essai de statique chimique (Tanulmány a kémiai egyensúlyról; 1803) c. könyvében adta közre először a kémiai egyensúlyra vonatkozó elméletét.
A napóleoni háborúk alatt kidolgozta annak módszerét, hogyan lehet ércből vasat nyerni és acéllá feldolgozni. Bár kálium-klorát készítménye nem volt alkalmas a puskapor salétromának helyettesítésére, ahogyan ő szerette volna, de lehetőséget adott színes tűzijátékok készítésére. Berthollet szenátor és a Becsületrend lovagja volt, s a császárság idején grófi címet kapott. Visszavonulása után laboratóriumot tartott fent és anyagi eszközeivel kiváló tudósok találkozóit segítette elő; a tudósok eszmecseréit 1807 és 1817 között közzé is adták.