Gyenge egészségi állapota miatt Flamsteed 1662-ben kénytelen volt abbahagyni iskoláit. Magánúton tanult csillagászatot, majd 1670-74 között a Cambridge-i Egyetemen folytatta tanulmányait. 1677-ben lett a Royal Society tagja. 1675-ben szentelték lelkésszé, 1684-ben megkapta a Surrey grófságbeli Burstow lelkipásztori javadalmait. Néhány adománytól eltekintve maga volt kénytelen Greenwich műszerezéséről gondoskodni, magántanítványokat kellett vállalnia jövedelme kiegészítésére. 1688-ban meghalt apja után kis örökséghez jutott, ebből ún. fali ívet épített; ezzel a falra szerelt eszközzel mérik a meridiánon áthaladó csillagok magasságát.
Életét később végigkísérték a kitűnő megfigyeléseinek közzétételével kapcsolatos viták. Megpróbálta eredményeit visszatartani, amíg teljessé nem teszi őket, de többek között Isaac Newtonnak és Edmond Halleynek sürgősen szüksége volt rájuk. Newton a Royal Society útján kezdeményezte az azonnali közzétételt. 1704-ben György dán herceg vállalta a publikálás költségeit. Bár a herceg 1708-ban meghalt, és Flamsteed tiltakozott, Halley megszerkesztette a befejezetlen megfigyeléseket, és 1712-ben 400 példányban kinyomtatták őket. Flamsteednek később sikerült 300 példányt elégettetnie.