Urodził się w St. Leonard we Francji. Naukę rozpoczął w 1795 roku w paryskiej szkole, potem wstąpił na politechnikę. Kiedy Napoleon przejął władzę w państwie i zaczął gromadzić siły aby podbić Europę, Gay - Lussac wybrał karierę cywilną i 1800 roku wstąpił do Ecole des Pontes et Chaussees, aby dokończyć edukację. Już w 1802 roku opublikował swa pierwszą pracę naukową, w której stwierdził (podobnie jak Dalton), że przy stałym ciśnieniu, objętość gazu jest proporcjonalna do temperatury. Dzięki tej pracy Gay - Lussac został zauważony przez profesorów Akademii Nauk (potem Instytut Narodowy), którzy w 1804 roku zaproponowali mu doświadczalny lot balonem. 24 sierpnia wraz z Jeanem Baptiste Biotem wznieśli się na wysokość 4000 metrów. 16 września sam Gay - Lussac osiągnął wysokość 7016 metrów, pobierając na różnych wysokościach próbki powietrza. Dzięki temu stwierdził, że zarówno magnetyzm ziemski, jak i skład ziemskiej atmosfery pozostają wartościami stałymi na wysokościach, które osiągnął balon.
W roku 1809 opublikował swe odkrycie, którego sformułowaniu nadano nazwę prawa Gay - Lussaca: objętości reagujących ze sobą gazów pozostają w prostym stosunku do siebie i do objętości gazowych produktów reakcji.
Następnie francuski badacz poświęcił więcej czasu chemii organicznej, prowadząc eksperymenty nad fermentacją i rozwijając metody analizy chemicznej. Ostatnim osiągnięciem na tym polu było odkrycie w 1815 roku składu kwasu pruskiego.
Gay - Lussac miał bardzo wysoką pozycję: był specjalistą w powstającym właśnie przemyśle chemicznym, opisał zagadnienia rozpuszczalności soli w roztworach, metody uzyskiwania tkanin ognioodpornych oraz uzyskał patent na wytwarzanie świec.