Estudià a Cervera i a Barcelona, on es llicencià en dret (1845), carrera que no exercí. Amic d’Abdó Terrades, es feu republicà i fou redactor d'El Republicano. Intervingué en les bullangues de Barcelona del 1842 i del 1843. Aprengué l’ofici de caixista i, influït per les idees d’Étienne Cabet (amb el qual entrà en contacte epistolar), muntà una impremta amb un amic i edità les revistes La Madre de Familia (1846) i La Fraternidad (1847-48), on divulgà els ideals icarians i hi publicà una traducció del Voyage en Icarie, de Cabet, feta per ell i un amic, F.J. Orellana. Amb la revista, feu costat a l’expedició icariana de Joan Rovira i els seus seguidors (1848). Davant la revolució general a Europa del 1848, el govern d’Isabel II suprimí La Fraternidad i Monturiol hagué d’exiliar-se a Perpinyà. Acollit a una amnistia, tornà a Barcelona (1849), on publicà la revista El Padre de Familia (1849-50), que hagué de suspendre, aclaparat per les multes i sancions.
Aquests anys inicià la seva dedicació a invencions mecàniques, que explotà d’una manera casolana, mentre imprimia material escolar per tal de sobreviure. Les seves activitats polítiques continuaren i hagué de fugir a Cadaqués (1855-57), on conreà la pintura —orientat epistolarment pel seu amic Ramon Martí i Alsina, que el retratà més d’un cop— i on madurà un projecte de construcció d’una nau submarina. Per a dur-lo a terme fundà una societat amb amics empordanesos i publicà el 1858 l’opuscle El Ictíneo o barco-pez. L’any següent portà a la pràctica el seu projecte i l’assajà al port de Barcelona (Ictíneo). Amb l’èxit parcial assolit en les proves, el govern d’Isabel II, forçat per l’entusiasme popular, hagué de prometre ajut, però, de fet, no el proporcionà i posà tota mena de traves administratives, malgrat els informes favorables de persones de prestigi, com Josep de Letamendi, aleshores president de l’Ateneu Català. Monturiol i els seus amics fundaren la societat La Navegación Submarina per explotar l’invent, i l’empresa trobà comprensió i ajut per part del general Dulce, però finalment feu fallida i el segon Ictíneo fou venut com a ferro vell (1868). El 1869 escriví un Ensayo sobre el arte de navegar por debajo del agua (1891). Inventà també altres màquines i un procediment per a agilitzar la fabricació de paper engomat, que emprà quan fou director de la Fábrica Nacional del Sello, de Madrid, càrrec que obtingué en proclamar-se la República (1873) i que perdé en caure aquesta (1874). Planejà d’altres invents, com un tramvia funicular i un velògraf. El 1882 publicà encara un periòdic: El Anunciador Financiero. Alhora planejà els treballs per a dur a Barcelona les aigües del Ter. El 1883 projectà un sistema de conservació de carns que hagué d’abandonar per malaltia.
Figura molt popular als Països Catalans, ha estat objecte de polèmiques sobre el seu invent i el similar d'Isaac Peral y Caballero, bé que aquest reconegué explícitament en una carta la prioritat de Monturiol (1889). El 1972 les despulles de l’inventor foren traslladades a Figueres.