洛夫洛克出生于英国赫特福德郡莱奇沃思，父亲是一个艺术团体的经理，母亲是邮局职员。他从小就对科学和发明有浓厚兴趣，中学毕业后未能进入剑桥大学，在一家摄影器材公司当学徒，同时晚上在曼彻斯特大学学习化学。1941年他获得学位后进入英国国家医学研究所(NIMR)工作，在那里工作了25年，期间1948年获伦敦大学博士学位。在NIMR他开始研究生物分子和冷冻保存技术，发明了多种分析仪器。

1957年，洛夫洛克发明了电子捕获检测器(ECD)——一种极其灵敏的气相色谱检测器，能够检测到皮克(10⁻¹²克)量级的电负性化合物。这一发明对环境科学产生了革命性影响：1962年蕾切尔·卡森在《寂静的春天》中引用了使用ECD测量农药残留的数据；1970年代初，洛夫洛克自己乘船从英国到南极，用ECD测量发现氯氟烃(CFCs)在大气中均匀分布，浓度达到万亿分之一级别。他的发现引起了马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰的注意，他们后续证明CFCs会破坏臭氧层，这一研究最终导致1987年《蒙特利尔议定书》的签署，成为国际环境合作的典范。

1961年起，洛夫洛克被NASA邀请参与火星生命探测计划。在思考如何检测其他行星上的生命时，他提出了一个独特的视角：生命的存在会改变行星的大气化学组成，使其远离化学平衡状态。对比地球大气含有高浓度氧气和甲烷这两种在无生命情况下会迅速反应消失的气体，他推测地球本身就是一个自我调节的系统。1960年代末，他在小说家威廉·戈尔丁(《蝇王》作者)的建议下将这一理论命名为"盖亚假说"(Gaia hypothesis)，以希腊神话中的大地女神盖亚命名。

盖亚假说刚提出时在科学界引起巨大争议，被批评为目的论甚至伪科学，但洛夫洛克和他的支持者(特别是微生物学家林恩·马古利斯)逐步完善了理论框架，提出雏菊世界等数学模型来解释生物如何非目的性地调节环境。如今，盖亚假说的核心思想——地球是一个各圈层相互作用、生物与环境协同进化的复杂系统——已被地球系统科学广泛接受。洛夫洛克是一位不依附于大学或公司的独立科学家，他的研究经费主要来自发明和咨询收入。晚年他积极倡导核能作为应对气候变化的方案，并提出了地球气候可能出现突然跳变的警告。洛夫洛克2022年7月26日在多塞特郡的家中度过103岁生日当天逝世，是20世纪寿命最长、影响力最持久的科学家之一。