Tanulmányait Párizsban végezte. Berthollet tanítványa volt, később pedig asszisztense lett. 1808-ban légköri vizsgálatok során felfedezte a róla elnevezett térfogati törvényt, melyet sav bázis reakcióknál is megvizsgált és észrevette, hogy pl. az ammóniagáz, mint bázis a savval szintén egyszerű térfogatviszonyok szerint reagál. Ez a megállapítás vezette aztán el a többszörös súlyviszonyok törvényéhez. Megfigyelte azt is, hogy a tömény kénsav a nitrogén monoxidot feloldja és megfelelő torony segítségével a nitrózus gázokat újra fel lehet használni. Ezeket az ún. Gay-Lussac-tornyokat még ma is használják, s hosszú ideig az ólomkamrás kénsavgyártás volt az egyetlen olyan módszer, mellyel kénsavat tudtak előállítani. Fizikából az ideális gázok hőtágulására vonatkozó törvények, valamint a gázok szabad tágulásának kísérleti vizsgálata őrzik nevét a középiskolai és az egyetemi oktatásban.