Desenvolupà, amb J.W.Gibbs i J.C.Maxwell, la mecànica estadística. Estudià a Linz i a Viena, on es doctorà l’any 1866. Professor de física a Graz, a Munic, a Leipzig i a Viena des del 1895 fins al seu suïcidi, el 1906.
Inspirat pels treballs de Maxwell, tractà d’interpretar les lleis de la termodinàmica a partir de la mecànica de les molècules i amb mètodes estadístics. Identificà l’entropia amb el logaritme de la probabilitat multiplicat per la constant de Boltzmann (fórmula de Boltzmann). El seu teorema H (1877) permeté d’explicar el segon principi de la termodinàmica. Formulà l’equació integrodiferencial de la funció de distribució de les velocitats (1868). Enuncià el principi d’equipartició de l’energia i demostrà la llei de Stefan a partir del cicle de Carnot (1884). Atacat per Wilhelm Ostwald i els energetistes, les seves teories restaren comprovades amb el descobriment de les fluctuacions, especialment el moviment brownià.
Entre els seus treballs, publicats als Wiener Berichte, destaquen Vorlesungen über Gastheorie (‘Cursos sobre la teoria dels gasos’) i Vorlesungen über Maxwells Theorie der Elektrizität und des Lichtes (‘Cursos sobre la teoria de l’electricitat i la llum de Maxwell’).