Començà estudiant medicina, però es decantà molt aviat per les matemàtiques. Fou deixeble del seu germà Jakob, que l’inicià en l’obra de Leibniz, de la qual fou propagador. Estigué a París (1690-95), on redactà un curs de càlcul per al marquès de L’Hôpital; hom creu que la coneguda regla de L’Hôpital és deguda a Johann Bernoulli. El 1691 determinà les tangents i els radis de curvatura de moltes corbes planes i donà el primer exemple de coordenades polars. Fou professor a Groningen (1695-1705) i, des de la mort del seu germà Jakob, a Basilea (1705), on fou mestre d’Euler. Proposà i resolgué el problema de la braquistòcrona amb uns mitjans tan simples com el d’una quadratura; en el camp de les equacions diferencials usà els factors integrants i utilitzà el mètode de variació de les constants per a resoldre l'equació diferencial de Bernoulli. Estudià la funció exponencial i mostrà que la funció logarítmica n'era la inversa, i, juntament amb Euler i Taylor, millorà la solució donada per Jakob al càlcul de variacions i formulà el concepte de funció d’una variable.