Germà de Wilhelm von Humboldt. Estudià a Frankfurt, Berlín, Göttingen i Friburg de Brisgòvia. Viatjà per Europa i alhora aprofundí els seus estudis. Acompanyat del botànic francès A. Bonpland feu una gran expedició científica pel continent americà, durant la qual (1799-1804) explorà regions de les actuals Veneçuela, Cuba, Colòmbia, l’Equador, el Perú i Mèxic.
Estudià la ultraestructura del múscul estriat, al microscopi electrònic i per difracció de raigs X, per al qual proposà la teoria de la contracció per desplaçament del filament, la conversió d’energia química en mecànica a escala molecular, i la ultraestructura de virus i d’orgànuls cel·lulars.
Net del naturalista Thomas H. Huxley, fou, com ell, un defensor entusiasta de l’evolucionisme. Professor de zoologia a Londres, fou nomenat primer director general de la UNESCO. Escriví, entre moltes altres obres, Evolution, the Modern Synthesis (1942) i Evolution in Action (1952).
Quatre anys d’actuació mèdica al vaixell “Rattlesnake” despertaren la seva vocació de naturalista. Amic de Darwin, intervingué en les polèmiques que seguiren la publicació de l'Origin. La defensa de l’evolucionisme el portà a escriure Man's Place in Nature (1863). Admirador i biògraf de David Hume, fou també autor de nombrosos treballs sobre embriologia (contraris a la teoria de Goethe sobre la formació del crani), zoologia i paleontologia.
Mentre cursava medicina, esclatà la Segona Guerra Mundial. El 1940 fugí a Anglaterra, on s’uní a De Gaulle, i com a metge militar, als aliats al Nord d’Àfrica i a França. Fou ferit greument, i després de la guerra obtingué la Creu de la Guerra i la Creu de l’Alliberament pels seus serveis en combat. El 1947 acabà els estudis de medicina, però les ferides de guerra l’obligaren a decantar-se per la recerca.
Fou un destacat estudiós dels Pirineus i col·laborà en la relació de nombroses excursions, de les quals redactà les parts topogràfica i geològica. És particularment interessant la seva obra Le Capcir (1887), ja que es tracta del primer estudi naturalístic d’aquesta comarca pirinenca.
Els seus experiments sobre l’herència en “línies pures” de vegetals li permeteren de distingir entre particularitats genotípiques i fenotípiques. Féu conèixer als països bàltics les teories de Mendel, millorades en alguns punts, i hom el considera un dels fundadors de la genètica. Escriví Über Erblichkeit in Populationen und in reinen Linien (‘Sobre l’herència en poblacions i en línies pures’, 1903).
Estudià a Rostock i a Pàdua, on conegué Andrea Cesalpino. Fou un dels primers defensors moderns de la teoria atòmica, destacà la importància de la disciplina matemàtica per al pensament i desenvolupà un mètode de classificació dels éssers vius, derivat del de Cesalpino, basat en l’existència de gèneres i espècies naturals que influí posteriorment en les concepcions de Linné.