Жозеф Луи Гей-Люссак родился 6 декабря 1778 года в Сен-Леонар-де-Нобла. В 15 лет он отправляется для обучения в Париж, в пансионат Сансье. В 19 лет начинает учиться в Политехнической школе в Париже.
После окончания Политехнической школы работает ассистентом Бертолле. В 1809 году получает звание профессора химии в Политехнической школе и одновременно профессора физики в Сорбонне.
В 1802 году Гей-Люссак открывает один из главных газовых законов — закон теплового расширения газов, позже названный в его честь. В 1805 году вместе с Александром фон Гумбольдтом разгадал тайну молекулы воды, доказав, что соотношение водорода и кислорода в ней равно 2:1.
В 1808 году открыл закон объёмных отношений. Через три года первым получил чистую синильную кислоту. Научную деятельность совмещал с государственными делами, работал в государственных комиссиях по внедрению новинок науки в промышленность.
В 1815 году усовершенствовал органический элементарный анализ. Начиная с 1824 года, восемь лет работал над усовершенствованием методов титрования. В 1832 году получил звание профессора химии Парижского ботанического сада. Разработал метод определения крепости алкогольных напитков, способ определения доли серебра в сплавах, методику титриметрического определения кислот и щелочей, технологию производства серной кислоты.
В 1825 году Гей-Люссак совместно с Мишелем Эженом Шеврёлем получили патент на технологию производства стеариновых свечей. Был избран членом Французской академии наук. С 1822 по 1834 годы был её президентом. Числился членом Аркёйского научного общества, основанного Бертолле. В 1839 году был удостоен титула пэра Франции.
Жозеф Луи Гей-Люссак скончался 9 мая 1850 года в Париже на 72-м году жизни.