A dotze anys es traslladà a Malta on fou patge del gran mestre Antonio Manuel de Villena i rebé el títol de comanador de l’orde. Tornà a la península Ibèrica el 1729, ingressà a la Compañía de Reales Guardias, i a Cadis féu estudis de matemàtiques, astronomia i navegació. Del 1735 al 1745 participà en l’expedició al Perú organitzada per l’Acadèmia de Ciències de París per tal de mesurar un grau del meridià terrestre i verificar les teories sobre la forma de la Terra, en la qual expedició efectuà una gran quantitat d’experiències de física i d’observacions astronòmiques —amb el seu company Antonio Ulloa—, que recollí en Observaciones astronómicas y físicas, hechas de orden de S.M. en los reinos del Perú... de las cuales se deduce la figura y magnitud de la Tierra (1748). L’obra (reeditada i traduïda al francès, l’anglès i l’holandès) demostra un gran coneixement de Newton, Huygens i els corrents nous de la matemàtica, la física i l’astronomia, alhora que es decanta cap al sistema copernicà. Aquest fet li plantejà problemes amb la inquisició, i, malgrat ésser defensat per Gregori Maians, hagué de prendre la solució de compromís de fer al·lusió al moviment de la Terra com a hipòtesi. Tanmateix, uns quants anys més tard escriví un extraordinari al·legat a favor del sistema copernicà i de la física newtoniana amb el títol d'Estado de la astronomía en Europa (publicat el 1773). Sobre el seu viatge al Perú, publicà —en col·laboració amb Ulloa— una Relación histórica del viaje a la América meridional (1748) i unes Noticias secretas..., adreçades al marquès de l’Ensenada, destinades a informar sobre els abusos del règim colonial, que foren publicades el 1826 a Londres per als independentistes americans. El 1752 tornà a Cadis, per dirigir la Compañía de Guardias Marinas, i hi organitzà el primer observatori astronòmic, amb els aparells més moderns, molts dels quals aconseguits en el seu viatge a Londres (1748). Es relacionà amb el científic francès Godin, amb Carbonell, García Infante, Zuloaga i Tofiño, i organitzà una Academia Amistosa Literaria, on hom llegia i discutia matèries científiques. Féu també nombrosos treballs d’enginyeria (naval, militar i de mines) i expedicions (Londres, ambaixador al Marroc), i dirigí el Seminario de Nobles de Madrid. D’entre les seves obres cal destacar sobretot Examen marítimo (1771), important tractat de mecànica i de matemàtica aplicades a la navegació, que fou publicat en francès per l’Académie des Sciences de París. Fou membre de la Royal Society de Londres i la Preussische Akademie der Wissenschaften i corresponent de la de París.