Kastler sinh tại Guebwiller, Alsace thời đó thuộc Đế chế Đức. Ông học tiểu học ở thị trấn quê hương. Năm 1914 ông tới sống ở nhà người cô tại Horbourg-Wihr[1] để học ở Oberrealschule (trường trung học) Colmar (trường này trở thành trường trung học Bartholdi năm 1918, khi Alsace trở lại thuộc Pháp). Năm 1919 ông chuyển sang học bằng tiếng Pháp, và tốt nghiệp trung học năm 1920. Năm 1921, ông học École Normale Supérieure tại Paris, đậu bằng cử nhân toán học và vật lý năm 1923. Ông đậu bằng tiến sĩ ở Đại học Paris năm 1936, với bản luận án về huỳnh quang của hơi thủy ngân.

Ông trở lại làm việc ở École Normale Supérieure, và cuối cùng được bổ nhiệm chức giáo sư năm 1952.

Cộng tác với Jean Brossel, ông nghiên cứu Cơ học lượng tử, tác động qua lại giữa ánh sáng và các nguyên tử, cùng phổ học. Kastler, nghiên cứu về sự phối hợp giữa quang cộng hưởng (optical resonance) và cộng hưởng từ, phát triển kỹ thuật bơm quang học. Các công trình này dẫn tới việc hoàn thành lý thuyết về laser và maser.

Ông đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1966 "cho việc phát hiện và phát triển các phương pháp quang học để nghiên cứu cộng hưởng Hertz ở các nguyên tử".