Lockyer era filho de Joseph Hooley Lockyer, cirurgião-farmacêutico com amplos interesses científicos, e Anne Norman, um casal de classe média. A sua educação formal, em escolas nos Midlands ingleses, era bastante classicista, porém, a atmosfera científica doméstica, complementada por viagens à Suíça à França, serviram para ampliar os interesses de Lockyer. O seu primeiro emprego foi como funcionário público no Ministério da Guerra de Inglaterra, em 1857. Lockyer permaneceu nesse emprego até atingir proeminência como astrónomo amador. Ele conseguiu ter acesso aos núcleos científicos através de um período de serviço temporário como secretário do duque da comissão de instrução científica de Devonshire. Através dessa associação com o duque, Lockyer conseguiu um lugar permanente no Departamento de Ciência e Arte, que culminou na sua nomeação para diretor do Observatório de Física Solar, estabelecido em South Kensington. Lockyer permaneceu no Observatório até que, em 1911, este foi transferido para Cambridge.

Lockyer iniciou, em 1866, as suas observações espectroscópicas de manchas solares e, dois anos depois, descobriu que as proeminências solares são perturbações numa camada a que nomeou de cromosfera. Também em 1868, ele e o astrónomo francês Pierre Janssen (1824 – 1907), independentemente, descobriram um método espectroscópico de observar as proeminências solares sem a ajuda de um eclipse para bloquear o brilho do Sol. Nas suas análises espectroscópicas ao Sol, Lockyer descobriu o elemento químico hélio, 27 anos antes de este ser encontrado na Terra.

Entre 1870 e 1905, Lockyer realizou oito expedições para observar eclipses solares. Também construiu um observatório privado em Sidmouth e construiu algumas teorias sobre a evolução estelar. Foi Lockyer que fundou a revista científica de maior impacto no mundo, a Nature (em 1869), e foi editor desta até poucos meses antes da sua morte. Em 1897, foi nomeado cavaleiro.