Educat a Berlín i a Halle, esdevingué professor de física d’aquella universitat el 1850 i, posteriorment, de les de Zuric, Würzburg i Bonn. Fou un dels capdavanters de la termodinàmica, en formulà diverses equacions fonamentals i n'enuncià per primera vegada, d’una manera precisa, el 1850, el segon principi sota la forma de la llei de la impossibilitat del pas espontani de calor d’un cos fred a un de calent i, el 1865, mitjançant la noció d’entropia, introduïda per ell mateix. Treballà també en l’estudi de la capacitat calorífica dels gasos poliatòmics i en la teoria cinètica dels gasos.