Юлиус Лотар Мейер родился 19 августа 1830 года в семье врача в маленьком городке Фареле в провинции Ольденбург. Обладая слабым здоровьем, среднюю школу он смог закончить только к двадцати одному году. После школы по примеру своего отца Мейер стал изучать медицину, и в 1854 году получил степень доктора в Вюрцбургском университете.
После университета Мейер работал в лаборатории Р.Бунзена в Гейдельберге, где изучал газовый обмен в организме человека. В своих работах «Газы крови» и «О действии газообразной окиси углерода на кровь» Мейер показал, что при дыхании кислород соединяется с гемоглобином крови; окись углерода, обладая большим сродством к гемоглобину, препятствует его соединению с кислородом.
В 1859 году он защитил как диссертацию на право чтения лекций историко-критическую работу «Химические теории от Бертолле до Берцелиуса». С 1860 году Мейер стал заниматься главным образом той областью химии, которая впоследствии была названа физической химией.
В 1860 году Мейер принял участие в Международном конгрессе химиков в Карлсруэ, на котором обсуждались определения основных понятий химии. На этом конгрессе участвовал и Д.И.Менделеев. Там было решено чётко разграничить понятия «атом», «молекула» и «эквивалент». В результате этого была в основном решена проблема атомных масс, что открыло дорогу для систематизации химических элементов и создания периодического закона.
В 1864 году Мейер опубликовал работу «Современные теории химии», в которой привёл свою первую таблицу, в которой 42 элемента (из 63) были размещены в соответствии с их валентностями и атомными массами. В 1870 году в «Анналах химии и фармации» появилась статья Мейера «Природа химических элементов как функция их атомного веса». Основанием для проведённой Мейером систематизации явилось соотношение между атомными весами и атомными объёмами элементов, имеющее вид периодической функции.
Лондонское королевское общество в 1882 году присудило золотые медали имени Дэви совместно Менделееву и Мейеру с формулировкой «За открытие периодических соотношений атомных весов».
Мейер скончался 11 апреля 1895 года.