Claude-Louis Berthollet naît à Talloires près d'Annecy dans le duché de Savoie qui fait à l'époque partie du royaume de Sardaigne. Il est issu d'une famille bourgeoise de Savoie, son père est notaire, profession qu'exerçaient déjà ses propres père et grand-père. Claude-Louis est le sixième de neuf enfants dont seul lui et sa sœur cadette atteindront l'âge adulte. Il fait des études secondaires au Collège Chappuisien d'Annecy, puis des études de médecine durant quatre années à l'université de Turin, avec une bourse royale, où il est reçu docteur en 1768.

Après quatre années de résidence dans le Piémont, il part à Paris. Il se présente au premier médecin du duc d'Orléans qui le fait nommer médecin de la maîtresse du duc Madame de Montesson et le prend en affection. Il suit des cours de chimie auprès de Pierre Joseph Macquer au Jardin des plantes, et de Jean-Baptiste-Michel Bucquet à la faculté de médecine de l'université de Paris. Berthollet obtient un petit laboratoire au sein du palais où il répète les expériences récentes de Joseph Priestley, Carl Wilhelm Scheele et Antoine Lavoisier. Il se fait connaître à partir de 1776 par la publication de nombreux mémoires et il est élu membre de l'Académie des sciencesn 1, à la place laissée vacante par la mort de Bucquet, en 1780. Il devient en 1779 docteur-régent de la faculté de médecine de l'université de Paris. Il est ensuite nommé directeur des teintures à la manufacture royale des Gobelins en 1784, en remplacement de Macquer, membre de la Royal Society le 30 avril 1789, membre de la commission des monnaies en 1792, membre de la commission d'agriculture en 1794, professeur de chimie à l'École normale de l'an III de janvier à mai 1795, et à l'École polytechnique à partir de décembre 1794. Il est nommé membre de l'Institut de France à sa création en 1795. Il concourt également avec Chaptal, Laplace et Monge à la création de l'École d'arts et métiers.

Le 6 janvier 1795, Berthollet fait geler de l’eau à vingt-deux degrés au-dessous de la congélation naturelle, et y enveloppe une quantité de mercure, qui prend la consistance du métal et résiste au marteau.

Il est influencé par Antoine Lavoisier et travaille avec Gaspard Monge. Louis Joseph Gay-Lussac est un de ses protégés. Il accompagne Napoléon Bonaparte lors de la campagne d’Italie. Il est avec Monge l'un des « commissaires du gouvernement à la recherche des objets de science et d'art dans les pays conquis par les armées de la République »1.

Puis il part en Égypte au sein de la commission des sciences et des arts, où il entre à l'Institut d'Égypte dans la section de physique et est élu vice-président. Il en sera élu président l'année suivante. Il fait d'importantes recherches sur le natron qui lui permettront d'élaborer sa théorie sur les affinités.

Il quitte l'Égypte avec Bonaparte le 23 août 1799.

Membre de la société philomathique de Paris, il est en 1801 l’un des fondateurs et des administrateurs de la société d’encouragement pour l’industrie nationale.

Il est nommé en 1802 président de la commission chargée de préparer la Description de l'Égypte.

Il est nommé membre du Sénat conservateur le 3 nivôse an VIII (24 décembre 1799) et reçoit sous l'Empire le titre de comte. Il devient pair de France sous la Restauration. Fidèle à son pays natal, il est membre fondateur de l'Académie de Savoie à Chambéry en 1820. Il passe ses dernières années dans sa maison d'Arcueil, où il avait formé avec Laplace une société savante, la Société d'Arcueil, réunissant des scientifiques tels que Gay-Lussac et Cuvier.

On lui doit la découverte des propriétés décolorantes du chlore d'où il tire un procédé de blanchiment des toiles utilisant une solution d'hypochlorite de sodium : il vient d'inventer l'eau de Javel. On lui doit aussi l'emploi du charbon pour purifier l'eau et la fabrication de plusieurs poudres fulminantes.
Il fut, avec Antoine Lavoisier et Louis-Bernard Guyton-Morveau, un de ceux qui contribuèrent le plus à opérer une révolution en chimie. Il fut aussi, avec Gaspard Monge, l'un de ceux qui furent chargés pendant les guerres de la Révolution française de diriger la fabrication de la poudre et de multiplier les moyens de défense.