生于英國倫敦，卒于劍橋。他的父親為醫生，母親為音樂家。他在亨廷登北部的昂德爾學校上完中學，1918年入劍橋大學學習生物學，1921年獲學士學位，1924年獲選岡維爾-凱斯學院的研究院士。1925年博士畢業后，在霍普金斯爵士[注]的實驗室從事化學胚胎學研究，1931年出版《胚胎學史》[注]和三卷本的專著《化學胚胎學》，1933年獲任威廉·鄧爵士生物化學高級講師，1941年當選英國皇家學會會員。

李約瑟原名約瑟夫·尼達姆。因尊崇中國古代學者老子（傳說姓李），遂以李姓，取中國姓名李約瑟。1924年，李約瑟與D.M.莫伊爾（Dorothy Mary Moyle，1896～1987，中文名李大斐）結婚。李大斐也為英國著名生物化學家，1919年畢業于劍橋大學格頓學院，1923年獲碩士學位，1930年獲博士學位，1948年當選為英國皇家學會會員。1937年，魯桂珍（1904～1991）受中國政府派遣，來劍橋大學攻讀博士學位，其指導教師是李大斐博士，因此機緣與李約瑟相識。通過與魯桂珍和其他中國學生的接觸和交談，李約瑟對中國文化及其歷史產生了濃厚興趣，并在魯桂珍鼓勵下開始學習中文，進而產生了去中國進行實地考察的強烈意愿。1942年，經不懈努力，他終獲英國政府派遣前往中國，身份為英國駐華大使館科學參贊。1943年初，他抵達戰時中國首都重慶，隨即創立了中英科學合作館（Sino-British Science Co-operation Bureau），在極為艱難的條件下，推進中英科學合作與交流。

1946年，李約瑟離開中國，應邀赴法國巴黎就任新成立的“聯合國教科文組織”科學處首任處長。1948年，由巴黎返回英國劍橋，啟動《中國科學技術史》（又譯《中國科學與文明》）一書的撰寫計劃，由此完成從生物化學家向科技史家和漢學家的轉型，直至去世。

1968年，李約瑟和他的朋友們在劍橋創立東亞科學史基金會，以支持編撰《中國科學技術史》叢書的項目。1967～1976年，李約瑟任劍橋大學岡維爾-凱斯學院院長；1971年當選英國學術院院士；1972～1976年兼任國際科學史與科學哲學聯合會主席；1976年，以其個人藏書為基礎創立東亞科學史圖書館；1983年，東亞科學史基金會改名為“李約瑟研究所”，作為在英國正式注冊的教育慈善機構。1987年，李約瑟研究所主體建筑在劍橋大學羅賓遜學院后花園落成，1991年研究所南翼建成。 1968年，（美國）科學史學會授予李約瑟薩頓獎章（George Sarton Medal），以表彰他在科學史研究領域所取得的顯著成就。1983年，《中國科學技術史》系列叢書榮獲中國國家自然科學一等獎。1984年，科學社會研究學會授予他貝爾納獎（J.D.Bernal Award）。1990年，日本福岡市授予他福岡亞洲文化大獎（Fukuoka Asian Culture Prize）。1992年，英國女王授予他榮伴勛章（Order of the Companions of Honour）。1994年，他當選為中國科學院外籍院士。 1987年李大斐病逝，1989年李約瑟與魯桂珍結為夫妻，1991年魯桂珍病逝。1995年李約瑟也因病辭世，享年95歲。李約瑟和兩位夫人的骨灰均葬于李約瑟研究所前花園樹下。

1948年，李約瑟向劍橋大學出版社提交《中國科學技術史》一書的寫作計劃，得到積極回應。1951年，在出版社的鼓勵下，寫作計劃由一本書擴展為七卷本：第一卷，導論；第二卷，科學思想史；第三卷，數學、天學和地學；第四卷，物理學和物理技術；第五卷，化學與化學技術；第六卷，生物和生物技術；第七卷，社會背景。第一卷于1954年出版，第二、三卷也于1956、1959年相繼出版。等到第四卷時，原計劃被再次突破，一卷書被分成了三個分冊，即物理學（第一分冊）、機械工程（第二分冊）和土木工程與航海（第三分冊），分別于1962、1965和1971年出版。第五卷則被分成十四個分冊，內容包括造紙與印刷、煉丹術、軍事技術（火藥）、紡織、冶金、陶瓷、采礦和鹽業。而第六卷被分成六個分冊，內容包括植物學、農業、林業、園藝技術、發酵與食品科學、醫學。第七卷分成兩個分冊，即語言與邏輯、總結論與反思。 截至1995年李約瑟去世時，《中國科學技術史》共計有16個分冊已出版，其中有13個分冊為李約瑟及合作者共同撰著，另外3個分冊則由其合作者獨著，包括造紙與印刷（卷5.1，1985年，錢存訓）、紡織技術（卷5.9，1986年，庫恩）、農業（卷6.2，1984年，白馥蘭）。截至2019年8月，《中國科學與文明》系列叢書共計已出25個分冊，還有3個分冊正在寫作之中，即紡織機械分冊（卷5.8）、有色金屬分冊（卷5.10）和鹽業分冊（卷5.14）。

李約瑟的工作和學術成就在東西方均得到了高度評價，其影響廣泛而深遠。他的學術貢獻主要體現在3個方面：①深入揭示了中國文明對世界的貢獻，以及中國文明進程與世界的密切聯系，改變了世界對中國的固有看法或成見；②率先對歐洲文明中心論提出挑戰，提醒世界應當公正評價非西方文明的價值和意義，肯定了包括中國在內的非西方文明對現代科學在歐洲興起的巨大貢獻；③通過大量的比較研究，揭示了東西文明發展各自的特征和相互差異，進而指出不同文明和文化的溝通與融合乃是人類文明未來發展的必由之路。 他還提出了李約瑟難題。在寫于1943年的手稿中，李約瑟是這樣表述“李約瑟難題”的：“為什么現代科學發展在西歐，而不在中國？”在1969年出版的《大滴定：東西方的科學與社會》一書中，李約瑟提出了另一個重要的問題，即“為什么在公元前2世紀到公元16世紀東亞文化在將人類的自然知識應用于有用的目的方面比西歐做得更有效率多了？”換言之，為什么古代科學技術發達的中國，沒有能在近代發展出現代科學？這就是所謂的“李約瑟難題”，也稱“李約瑟之問”“李約瑟之謎”或“李約瑟悖論”。

李約瑟試圖從3個方面來回答這一問題：①地理因素。中國作為相對封閉而統一的農業帝國，缺少如西歐所面對的日益增長的貿易和競爭壓力。②社會結構和政治的因素。他指出：“若想解釋中國社會為何沒能發展出現代科學，最好先解釋中國社會為何沒能發展出商業的和工業的資本主義。”換言之，在他看來，中國的封建官僚體制阻礙了商業和資本主義的發展，自然也就無法形成現代科學生長的土壤或基礎。③宗教、哲學或思想的因素。他認為西方由來已久的自然法傳統，激發了機械宇宙觀的形成，與中國秉承的有機宇宙觀形成對照。而機械宇宙觀正是激發現代科學發生的動因之一。