1851-ben kezdte pályáját Antoine-Jérome Balard munkatársaként a párizsi Collège de France-ban. 1859-ben lett a párizsi École Supérieure de Pharmacie szerveskémia professzora, majd 1865-ben elvállalta a Collège de France-ben számára létrehozott szerveskémiai tanszék vezetését. A felsőoktatás felügyelőjeként 1876-ban tevékeny részt vállalt oktatási kérdések megoldásában. 1881-ben örökös szenátorrá választották. A közoktatási miniszteri (1886-1887) és külügyminiszteri (1895-1896) poszton is működött. Fontos kutatásokat végzett az alkoholok és karbonsavak körében, a szénhidrogének (egyebek között az acetilén) szintézisében és a reakciósebesség vizsgálatában. A robbanóanyagokkal végzett munkája eredményeként felfedezte a nyomáshullámot. Bevezette az exoterm és endoterm reakciók fogalmát és újra felfedezte a baktériumok szerepét a talaj nitrogén-megkötésében. Az alkímia és a kémia történetéről szóló írásai a maguk területén klasszikus művek. Sok cikket írt a La Grande Encyclopédie-be, melynek a megalapítója volt. Munkásságának végső szakaszát a mezőgazdasági kémiának, valamint történelmi írásainak szentelte. 1889-ben követte Louis Pasteurt a párizsi Tudományos Akadémia titkári székében.