Fils de l'avocat François Le Bouyer de Fontenelle et neveu des Corneille par sa mère Marthe Corneille, Fontenelle fit de brillantes études chez les jésuites de Rouen, où il laissa le renom d’un « jeune homme parfait sous tous les rapports ». Il entra ensuite au barreau, y plaida une seule cause, la perdit, et vint à Paris, auprès de son oncle maternel Thomas Corneille, débuter dans la littérature.

D’autres tentatives par Fontenelle au théâtre ne furent guère plus heureuses. Les tragédies de Bellérophon et de Brutus, la tragédie en prose d’Idalie, la pastorale héroïque d'Endymion, furent oubliées presque en naissant. Les opéras de Psyché, de Lavinie, de Thétis et Pélée, eurent plus de succès, mais servirent peu à la réputation de l’auteur qui, passant à d’autres genres, publia son Dialogue des morts (1683), des Poésies pastorales (1688), et trouva sa véritable voie dans la littérature scientifique, qu’il aborda par des Entretiens sur la pluralité des mondes (1686), œuvre de vulgarisation scientifique, qui connut un vif succès. Flourens en a fait l’éloge en disant « que Fontenelle a le double mérite d’éclaircir ce qu’il peut y avoir d’obscur dans les travaux de ceux qu’il loue, et de généraliser ce qu’ils ont de technique. » Il a certainement les qualités de son emploi. C’est un homme d’esprit, qui connaît assez les sciences pour en parler agréablement et exactement, mais qui n’y a pas pénétré assez profondément pour risquer d’être abstrait et obscur.

Nommé membre de l’Académie française en 1691, après avoir essuyé quatre refus, il eut, après sa réception, ce mot : « Il n’y a plus que trente-neuf personnes dans le monde qui aient plus d’esprit que moi. »

Secrétaire perpétuel de l’Académie Royale des sciences de 1699 à 1737, il fit aussi partie de l’Académie des inscriptions et de l'Académie de Stanislas.
Se trouvant par là mêlé à toutes les questions du jour, il porta de tous côtés un parti pris de tranquillité, d’égalité d’humeur, qui lui donna le repos et lui épargna les discussions violentes. En sa qualité de secrétaire perpétuel de l’Académie Royale des sciences, il rédigea chaque année de son mandat la partie
« Histoire » de Histoire et Mémoires de l'Académie Royale des Sciences (à partir de 1699), recueil des travaux les plus marquants de l'Académie au cours de l'année écoulée. La partie Histoire (entre 100 et 150 pages environ) se voulait être une forme de « vulgarisation » (comme nous dirions aujourd'hui) des travaux scientifiques complexes de l'époque, à destination du grand public cultivé curieux de sciences.

La tâche de Fontenelle était donc ardue puisqu'il devait lui-même comprendre tous les travaux de l'Académie Royale des Sciences, sur des sujets allant de la botanique à la physique, pour en donner une version digérée et simple, compréhensible du plus grand nombre. Cette œuvre de « vulgarisation » représente donc un volume de près de 5000 pages, écrite durant son mandat de secrétaire perpétuel.

À cela, il faut ajouter une histoire de l'Académie entre 1666 et 1699, écrite postérieurement. Les Éloges des Académiciens, qui sont regardés comme le modèle du genre, sont en fait une version à peine remanié des éloges publiés chaque année dans la partie Histoire des Histoire et Mémoires de l'Académie Royale des Sciences. Un éloge est une nécrologie d'un savant récemment décédé. Un premier ouvrage d'éloges fut publiée en 1708, et une seconde édition en fut donnée en 1719, complétée des éloges des savants morts entretemps.

Fontenelle s’occupa aussi de métaphysique et professa le cartésianisme tout en s’écartant de Descartes sur la question de l’origine des idées. Il émit cette restriction : « Il faut admirer toujours Descartes, et le suivre quelquefois. »

En 1749, il devient membre de l'Académie royale des sciences et des lettres de Berlin.

Par sa longue vie, Fontenelle appartient en même temps au xviie et au xviiie siècle et forme en quelque sorte le lien entre le grand Siècle et les Lumières. Cependant, malgré sa prudence et sa circonspection, Fontenelle montre déjà, vers la fin du premier, un penchant au goût littéraire et aux préoccupations philosophiques du second.

Fontenelle, qui, lorsqu’on lui demanda un jour par quel moyen il s’était fait tant d’amis, et pas un ennemi, avait répondu : « Par ces deux axiomes, tout est possible et tout le monde a raison ».

Son intelligence souple et lucide a très bien servi les lettres et surtout les sciences, qu’il sait excellemment rendre accessibles et même attrayantes en gardant l’exactitude. La qualité d’homme de lettres fut relevée par la brillante considération attachée à la personne de cet académicien familier du duc d’Orléans et de Fleury. Comme Voltaire, il exerce la royauté littéraire et mondaine et, comme lui, il a une sorte d’universalité, à la fois causeur fêté, poète badin et dramatique, philosophe, critique, historien des idées et géomètre.

Fait extrêmement rare à cette époque, ce brillant esprit mourut centenaire en 1757 à Paris.