Nació en Saint-Lô, Francia y estudió en la École Polytechnique (escuela politécnica). Tras un breve periodo estudiando química con Louis Joseph Gay-Lussac, cambió su interés hacia la astronomía y, concretamente, hacia la mecánica celeste. Trabajó en el observatorio de París la mayor parte de su vida, donde llegó a ser su director. Tuvo mujer e hijos. Murió en París en 1877. Está enterrado en el Cementerio de Montparnasse. Un gran globo celeste de piedra se sitúa sobre su tumba.
Animado por el matemático François Arago, por entonces director del Observatorio de Paris, realizó los cálculos para explicar las diferencias observadas en la órbita de Urano y su comportamiento previsto por las leyes físicas de Kepler y Newton. Le Verrier le dio a Johann Gottfried Galle la posición del planeta y éste lo localizó en septiembre 1846; a menos de 1° de su situación prevista en la constelación de Acuario.