Gay-Lussac era o filho mais velho de um advogado e ex-oficial real que perdeu a sua posição na Revolução Francesa de 1789. O pai de Gay-Lussac enviou-o para Paris, para se preparar para estudar Direito. No entanto, logo no início da sua escolaridade, Gay-Lussac adquiriu interesse pela ciência, e a sua habilidade matemática permitiu-lhe passar no exame de admissão à École Polytechnique. Gay-Lussac provou sempre ser um aluno exemplar ao longo dos seus anos de graduação, de 1797 a 1800. Depois disso, ele entrou na École Nationale des Ponts et Chaussées, mas logo saiu da instituição para se tornar assistente de investigação de Claude-Louis Berthollet (1748 – 1822).

A primeira publicação de Gay-Lussac (1802) foi sobre a expansão térmica dos gases, concluindo que todos os gases se expandem igualmente ao longo do intervalo de temperatura de 0 a 100 °C. Esta lei, normalmente (e erroneamente) atribuída ao físico francês Jacques Charles (1746 – 1823) como “lei de Charles”, foi a primeira de várias harmonias no comportamento da matéria que Gay-Lussac estabeleceu. De todas as leis que Gay-Lussac descobriu, continua a ser melhor conhecido lei da combinação de volumes (1808), ou “lei de Gay-Lussac”. Antes disso, Gay-Lussac já havia estabelecido que o hidrogénio e o oxigénio se combinam, em volume, numa proporção de 2:1, para formar a água (1805). Abordagem de Gay-Lussac ao estudo da matéria era consistentemente volumétrica, em vez de gravimétrica, contrastando com o seu contemporâneo John Dalton (1766 – 1844).

Um outro exemplo da abordagem volumétrica de Gay-Lussac surgiu em 1810, numa investigação realizada com o seu amigo Louis-Jacques Thenard (1777 – 1857), sobre a composição de substâncias vegetais. Juntos identificaram uma classe de substâncias (mais tarde designadas hidratos de carbono), que continham hidrogénio e oxigénio na proporção de 2:1. Eles anunciaram os seus resultados sob a forma de três leis, de acordo com a proporção do hidrogénio e do oxigénio contido nas substâncias.

Enquanto jovem, Gay-Lussac realizou perigosas proezas para conseguir atingir objetivos científicos. Em 1804, subiu num balão de hidrogénio com Jean-Baptiste Biot(1774 – 1862), para investigar o campo magnético da Terra a elevada altitude e a composição atmosférica. Atingiram uma altitude de 4000 metros; e num voo a solo, Gay-Lussac atingiu os 7016 metros, estabelecendo um recorde para o voo mais alto de balão, que permaneceu imbatível por cerca de meio século.

Em 1807, publicou um importante estudo sobre o aquecimento e refrigeração produzidos pela compressão e expansão de gases. Só mais tarde se percebeu a relação desta experiência com a lei da conservação da energia. Gay-Lussac deu aulas na École Polytechnique e na Faculdade de Ciências de Paris, em 1808. Em 1816, Gay-Lussac foi editor da revista Annales de chimie et de physique e dois anos depois tornou-se membro da comissão de pólvora do governo. Também chegou a ser nomeado diretor do departamento de análise quantitativa da Casa da Moeda de Paris, para o qual desenvolveu um método preciso e exato para a análise quantitativa da prata. Em 1848 (o ano das revoluções na Europa central e oriental), Gay-Lussac renunciou aos seus vários compromissos em Paris e retirou-se para uma casa, com biblioteca e laboratório privado, no local onde passou a sua infância.