Gay-Lussac sinh tại Saint-Léonard-de-Noblat thuộc Haute-Vienne hiện nay.

Cha của Joseph Louis Gay là Anthony Gay, con trai của một bác sĩ và là một luật sư và công tố viên và làm thẩm phán ở Noblat Bridge. Joseph Louis Gay-Lussac là con cả của gia đình bảy thành viên trong một thị trấn nhỏ thuộc tỉnh Limousin của Pháp. Tháng 11 năm 1794 ông đến Paris; do nạn đói, nhiều sinh viên đã được gửi về nhà cho cha mẹ của họ - Gay-Lussac đã được ở lại vì những kỹ năng toán học tốt của mình. Từ tháng 9 năm 1797, ông lần đầu tiên thăm Trường Bách khoa Paris và sau đó là trường Công nghệ Paris, nơi ông làm quen với Claude-Louis Berthollet. Năm 1802, ông phụ trách trợ giảng tại trường Bách khoa Paris, 7 năm sau, ông chính thức trở thành giáo sư hóa học của trường.

Các nhà khoa học sau đó đã quan tâm đến hướng của kim từ tính và thành phần của không khí trong các lớp không khí cao hơn. Trước đây (1804), Viện Hàn lâm Khoa học Nga ở St Petersburg đã tiến hành điều tra ban đầu trong một quả bong bóng. Viện Hàn lâm Pháp đã ủy nhiệm cho Gay-Lussac và Jean-Baptist Biot thực hiện cuộc điều tra này.

Vào ngày 24 tháng 8 năm 1804, ông đã thực hiện một chuyến bay táo bạo với Biot bằng khí cầu hydro và đạt đến chiều cao 4.000 mét. Nhân dịp này, cả hai kiểm tra từ trường của Trái Đất. Vào ngày 16 tháng 9, ông thực hiện lại, lần này là một mình, một chuyến bay với không khí cầu thứ hai. Ông đã lấy mẫu không khí ở các độ cao khác nhau và leo lên đến 21.600 feet tại Paris, cao 7.017 mét so với khí cầu. Phân tích các mẫu cùng với Alexander von Humboldt cho thấy hàm lượng oxy trong không khí thay đổi theo độ cao. Họ đã tìm ra sự sụt giảm nhiệt độ của 1 °C mỗi 174 mét đi lên, cũng Gay-Lussac và Alexander von Humboldt John Dalton có thể lý luận - các khí nguyên tử nặng hơn đang chìm xuống, khí nguyên tử nhẹ đang đi lên. Hôm nay chúng ta biết rằng giả thuyết của Daltons Annahme, trong số những thứ khác có nghĩa là tất cả cacbon dioxit trong khí quyển sẽ tích lũy trên bề mặt trái đất, làm bóp nghẹt người tiêu dùng oxy (ví dụ, tất cả động vật và con người). Tuy nhiên, thành phần hóa học của khí quyển đang thực sự thay đổi với chiều cao đến một mức độ thấp hơn bởi hiệu ứng vật lý khác, mật độ khí không quan trọng.

Berthollet thành lập một hiệp hội khoa học tư nhân, Société d'Arcueil. Ở đó, Gay-Lussac đã làm quen với Laplace và Alexander von Humboldt. Với điều này, ông đã thực hiện chuyến nghiên cứu (tháng 3 năm 1805) tới Rome và Naples (đến núi Vesuvius), họ đã trải qua mùa đông năm 1805/1806 ở Berlin.

Năm 1809 Gay-Lussac trở thành giáo sư hóa học và trước đó, năm 1808 giáo sư hóa học thực tập tại trường Bách khoa Paris và đồng thời là giáo sư vật lý và hóa học tại Sorbonne. Năm 1809, ông được trao tặng cùng với Louis Jacques Thénard bởi lớp toán học-vật lý của Viện Hàn lâm Pháp của Napoléon Bonaparte đã trao giải thưởng Galvanic 3000 franc[2]. Gay-Lussac biết nói nhiều thứ tiếng: tiếng Ý, tiếng Anh, tiếng Đức. Ông là một thành viên của nhiều ủy ban chính thức.

Năm 1816 Gay-Lussac cùng với François Arago xuất bản cuốn Niên sử Hóa học và Vật lý (Annales de Chimie et de Physique). Năm 1818, một cuộc thi đã được công bố của Học viện Khoa học Pháp, trong đó ông là một thành viên của bồi thẩm đoàn dẫn đầu bởi Arago. Người chiến thắng của cuộc thi là Siméon-Denis Poisson và Augustin-Jean Fresnel. Năm 1830 Gay-Lussac được bầu làm thành viên nước ngoài của Học viện Khoa học Göttingen[3] và năm 1832 tại Học viện Nghệ thuật và Khoa học Hoa Kỳ. Vào ngày 31 tháng 5 năm 1842, ông được nhận vào Pour le Mérite vì Khoa học và Nghệ thuật như một thành viên nước ngoài[4]. Từ năm 1812, ông là một thành viên của Prussian[5] và kể từ năm 1820, Viện Hàn lâm Khoa học Bavarian.

Năm 1809 ông kết hôn với Geneviève-Marie-Joseph Rojot - con gái của một nhạc sĩ nghèo khó. Ông đã có năm người con, trong đó người lớn tuổi nhất (Jules) trở thành trợ lý cho Justus Liebig ở Giessen.

Trong một vụ nổ với hydrocacbon, Gay-Lussac đã phải chịu một vụ tai nạn nặng nề. Ông không qua khỏi trong tai nạn này.

Vào ngày 9 tháng 5 năm 1850, Gay-Lussac qua đời tại Paris. Ông được chôn cất tại nghĩa trang Père-Lachaise

Tại Paris, một đường phố và một khách sạn gần Sorbonne được đặt tên theo ông. Ông là 1 trong 72 người được khắc tên trên tháp Eiffel[6].