Estudià física a Cambridge, on s’inicià en la investigació en el camp de la cristal·lografia estructural, dirigit per William Bragg. L’any 1937 ocupà la càtedra de física al Birkbeck College, a la Universitat de Londres, i des del 1963 la de cristal·lografia, al mateix centre. La seva contribució a l’estudi de l’estructura dels líquids és notable. Bernal és autor d’obres d’àmplia difusió, on, des d’una posició marxista, estudia la història i la problemàtica del desenvolupament científic en la seva relació amb la realitat social: The Social Function of Science (1939), The Freedom of Necessity (1949), Marx and Science (1952), Science and Industry in the Nineteenth Century (1953), Science in History (1958) i World without War (1958). Fou premi Lenin de la pau l’any 1953, i ocupà la direcció del comitè presidencial del Consell Mundial de la Pau.