1866-ban a Bécsi Egyetemen doktorált, majd matematika- és fizikaprofesszor volt Bécsben, Grazban, Münchenben és Lipcsében.

 Az 1870-es években Boltzmann cikkek sorozatában mutatta meg, hogy a termodinamikának az energiacserére vonatkozó második főtétele megmagyarázható a mechanika törvényeinek és a valószínűségelméletnek az atomok mozgására való alkalmazásával. Ennek során világossá tette a második főtétel lényegében statisztikus voltát, és megmutatta, hogy egy rendszer azért közeledik a termodinamikai egyensúlyi állapot (tökéletesen egyenletes energiaeloszlás) felé, mert az egyensúly egy anyagi rendszer mindenképpen legvalószínűbb állapota. E vizsgálatai során Boltzmann kidolgozta az adott hőmérsékletű rendszer különböző részei közti energiaeloszlás általános törvényét és levezette az energia ekvipartíció elméletét (Maxwell-Boltzmann-féle eloszlási törvény). A törvény szerint egy atom valamennyi különböző mozgásirányában a résztvevő energia átlagos mennyisége azonos. Egyenletet vezetett le az atomi ütközések következtében az atomok közti energiamegoszlásban beálló változások leírására, lefektette a statisztikus mechanika alapjait.

A kontinensen az első tudósok közé tartozott, akik felismerték a skót James Clerk Maxwell által javasolt elektromágneses elmélet jelentőségét. Statisztikus mechanikai munkáját erősen támadták és sokáig félrertették, következtetéseit végül a kevéssel 1900 előtt kezdődő atomfizikai felfedezések támasztották alá, valamint az a felismerés, hogy az olyan fluktuációs jelenségek, mint a Brown-mozgás (a folyadékban lebegő mikroszkópikus részecskék véletlen mozgása), csak a statisztikus mechanika alapján magyarázhatók meg.