Rövid ideig tartó gyógyszerészeti tanulmányok után - késztetésének engedve - Liebig úgy döntött, vegyész lesz. A Bonni Egyetemre iratkozott be, hogy a kor egyik első számú kémikusánál, Karl Wilhelm Gottlieb Kastnernél tanuljon. Liebig az Erlangeni Egyetemre is követte Kastnert, és ott szerezte meg doktorátusát 1822-ben. Ezután a hesseni kormány ösztöndíjával Párizsban tanult. Alexander von Humboldt befolyása révén Joseph-Louis Gay-Lussac magánlaboratóriumában dolgozhatott.
Visszatérve, 1824-ben, a Giesseni Egyetemen kapott állást, 1826-ban nevezték ki egyetemi tanárrá. Liebig Giessenben hozta létre az első olyan laboratóriumot, amelyben a fiatal vegyészeket módszeresen tanították a kémiai kutatás gyakorlatára. A laboratórium hamarosan világhírű lett. Európa minden tájáról érkeztek hallgatók Liebighez. A következő generáció számos neves vegyésze is itt tanult, például August Wilhelm von Hofmann, Sir Edward Frankland, F. A. Kekulé von Stradonitz és Charles-Adolphe Wurtz. Liebig laboratóriuma a német kémiai oktatás mintájaként szolgált, és nagy szerepe volt a németországi kémia óriási fejlődésében, amely a XIX. század későbbi szakaszában bontakozott ki. Liebig 1845-ben bárói címet kapott; 1852-től haláláig a Müncheni Egyetem kémia professzora volt.
Liebig mind a szervetlen, mind a szerves kémia számos területén tevékenykedett. Néhány vizsgálata a kémia későbbi fejlődése szempontjából is kiemelkedő volt. A cianátok és fulminátok izomériájának tanulmányozása nagy hatást gyakorolt a kortársakra, és a fiatal Liebig figyelmét a szerves kémiára irányította. Ezeknek a vizsgálatoknak a kapcsán ismerkedett meg egy másik kiváló vegyésszel, Friedrich Wöhlerrel. Liebig és Wöhler barátsága egy életre szólt; a két férfi sok közös kutatást folytatott. Ezek legfontosabbika a keserűmandula-olaj (benzaldehid) vizsgálata volt: kiderítették, hogy a vegyület sok különböző reakciójában ugyanaz a kémiai csoport, más néven gyök, változatlan marad. A gyökelmélet, amelynek kidolgozásához Liebig jelentősen hozzájárult, először próbálta meg érdemben a szerves kémia rendszerezését.
Liebig szerves kémiai vizsgálatait nagyban segítette az az egyszerű módszer, amelyet a szén és a hidrogén analitikai meghatározására dolgozott ki. Egy másik eljárása a halogének analitikai meghatározását szolgálta. Fontos cikket írt a több-bázisú szerves savakról, és sokat tett a savak hidrogénjére vonatkozó elmélet alátámasztásáért. Ő népszerűsítette, de nem ő találta fel a Liebig-hűtőt, amelyet gyakran használnak a laboratóriumi desztilláló-berendezésekben.
A tiszta szerves kémia helyett - 1838 után - a növények és állatok kémiája foglalkoztatta inkább Liebiget. Számos szövetet és testnedvet elemzett, tanulmányozta az állati szervezetből kiválasztott nitrogéntartalmú vegyületeket. Ennek a kutatásnak a mellékterméke volt a Liebig-féle marhahús-kivonat. Később mezőgazdasági problémák keltették fel a figyelmét; 1840-ben jelent meg Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agrikultur und Physiologie (A szerves kémia mezőgazdasági és élettani alkalmazása) c. műve. A könyv igen nagy hatást váltott ki a mezőgazdasági szakemberek körében. Liebig elvetette azt a régi nézetet, hogy a humusz táplálja a növényeket, és kimutatta, hogy a növények szén-dioxidot, vizet és ammóniát vesznek fel a levegőből és a talajból. A talaj elhasználódott ásványi anyagainak pótlására a műtrágyázást javasolta.
Liebig idősebb korában akkora tekintélyre tett szert, hogy kémiai kérdésekben az ő véleményét tartották irányadónak. Mindig szívesen hangoztatta nézeteit, amelyek néha igen merevek voltak. Ezért gyakran keveredett tudományos vitákba, és nem mindig volt igaza. Munkájának jelentős részét abban a folyóiratban publikálta, amelyet ő alapított 1832-ben; az Annalen der Pharmacie (Gyógyszerészeti Évkönyvek), amely később Annalen der Chemie (Kémiai Évkönyvek), Liebig halála után pedig Liebigs Annalen der Chemie néven jelent meg, az egyik legfontosabb kémiai folyóirattá vált.
A müncheni professzori állás elfoglalása után Liebig fokozatosan elvesztette a laboratóriumi munka iránti lelkesedését. Hamarosan visszautasította az új tanítványokat, és egyre inkább az írásnak szentelte idejét. A gyakori vitáktól eltekintve publikációiban arra hívta fel a figyelmet, hogy a kémiát sokoldalúan kell felhasználni az emberi élet érdekében.
Bibliográfia. F. Haber és E. Farber: Great Chemists
(1961) jó életrajz. F. R. Moulton: Liebig and After
Liebig (1942) – Liebig munkájáról és eredményeiről.
Paolini: Justus von Liebig. Eine Bibliographie sämtlicher Veröffentlichungen
mit biographischen Anmerkungen, 1968, Strube: Justus von Liebig,
1973