1802-ben diplomázott és orvostudományi, botanikai és gyógyszerészeti tanársegéd lett Stockholmban. 1807-ben egyetemi tanárrá nevezték ki, egy évvel később beválasztották a stockholmi Királyi Tudományos Akadémia tagjai közé, 1818-ban az Akadémia állandó titkára lett. 1815-1832-ig a stockholmi Karolinska Orvosi- Sebészeti Intézet kémiaprofesszora volt. A modern kémia egyik megalapítója; atomtömeg-meghatározásairól, a modern kémiai vegyjelek kidolgozásáról, elektrokémiai elméletéről, számos elem felfedezéséről és elkülönítéséről, a klasszikus analitikai módszerek kifejlesztéséről, valamint izoméria- és katalíziskutatásairól vált híressé. E két utóbbi ismeretterület a nevét is tőle kapta. Szigorúan ragaszkodott az empíriához és hangsúlyozta, hogy minden új elméletnek összhangban kell lennie a már meglévő kémiai ismeretekkel. Berzelius fedezte fel a cériumot, a szelént és a tóriumot. Izolálta a szilíciumot, a cirkóniumot és a titánt, kémiai alapon osztályozta az ásványokat és részletesen vizsgálta a tellúr, a vanádium, a molibdén, a volfram, az urán és más elemek vegyületeit. Nevéhez fűződik a vízfürdő, a szárítókamra, a mosópalack, a szűrőpapír és a gumicső használata; tökéletesítette a pipettás módszereket is.