Po absolvování studia medicíny na Sorbonně v roce 1853, kdy obhájil doktorskou práci o různých formách kloubního revmatismu, pracoval Charcot nejprve jako majitel soukromé praxe a od roku 1848 jako nemocniční lékař v Salpêtrière, kde se v roce 1862 stal primářem. V roce 1872 se stal řádným profesorem patologické anatomie na pařížské univerzitě, kde publikoval řadu prací o anatomii a patologii nervového systému. V roce 1882 byla v pařížské Hôpital de la Salpêtrière zřízena Charcotova první katedra pro nemoci nervové soustavy na světě.
V roce 1883 byl Charcot přijat do Académie des sciences. V letech 1888-1889 publikoval své slavné Leçons du mardi, v nichž demonstroval klinické případy před mezinárodním publikem lékařů, novinářů a spisovatelů.
Žádný jiný vědec 19. století neměl tak trvalý vliv na vývoj neurologie jako Charcot. Ve 2. polovině 19. století učinil významné objevy téměř ve všech oblastech neurologie. Jako první popsal amyotrofickou laterální sklerózu a neurogenní artropatii. Roztroušenou sklerózu a Parkinsonovu chorobu také od sebe odlišil jako samostatné klinické obrazy.
7. června 1884 se prostřednictvím Charcotova asistenta Raymonda Combreta, člena Teosofické společnosti v Paříži, uskutečnilo v Salpêtrière setkání s Henrym Steel Olcottem z Teosofické společnosti. V pozdějších letech se Charcot věnoval především psychopatologickým studiím hysterie. Přestože některé jeho poznatky byly později revidovány, měly velký vliv na vývoj psychiatrie a na psychoanalýzu jeho žáka Sigmunda Freuda. Právě Charcotovo klinické použití hypnózy ve snaze najít organickou příčinu hysterie podnítilo Freudův zájem o psychologické příčiny neuróz.
Freud studoval u Charcota v Salpêtrière od srpna 1885. Přestože později úspěšně etabloval svůj výtvor, psychoanalýzu, jako samostatnou vědu, často se zapomíná, že na jejím počátku stálo Charcotovo studium hypnózy. Další Charcotovy výzkumy změněných stavů vědomí způsobených hypnotickým transem daly vzniknout dalším disciplínám, které byly méně v souladu s materialistickým duchem doby než Freudovy. Freud přeložil dvě Charcotovy knihy a opatřil je kritickými poznámkami.
Charcot byl představitelem dominantní vědy 19. století, která se vyrovnávala s hypnózou a snažila se najít neurofyziologické vysvětlení pozorovaných symptomů. Hledal čistě materialistické vysvětlení, na jehož základě by osoby, které lze snadno zhypnotizovat, mohly být považovány za duševně nemocné a na jehož základě by bylo možné přesně klasifikovat jednotlivé fáze hypnózy. Teprve v roce 1884 jeho hypotézy zpochybnili Hippolyte Bernheim a Ambroise-Auguste Liébeault, kteří vyslovili teorii, že hypnotický stav vzniká sugescí, což se nakonec prokázalo v Liébeaultově lékařské praxi. Ukázalo se, že Charcotovo přesvědčení o patologických příčinách hypnózy pramenilo ze skutečnosti, že v Salpêtrière pracoval převážně s hysteriky. Charcot několik měsíců před svou smrtí přiznal porážku, když v jednom článku prohlásil, že hysterici v zásadě snadno podléhají sugesci.
Charcot zemřel po roce 1893 na záchvat anginy pectoris.
Jean-Martin Charcot jako lékař od mládí umělecky nadaný a zajímající se o umění sbíral historická vyobrazení hysterie. Zavedl také fotografii jako metodu klinické dokumentace na jedné straně a jako didaktickou metodu ve výuce (promítání diapozitivů) na straně druhé.
Charcotovy práce podrobně popisuje Axel Munthe v knize The Book of San Michele. Podrobně o Charcotovi pojednává také standardní dílo Henriho F. Ellenbergera The Discovery of the Unconscious: History and Development of Dynamic Psychiatry from the Beginnings to Janet, Freud, Adler and Jung.
Dalšími Charcotovými slavnými žáky byli Georges Gilles de la Tourette, Joseph Babinski, Gheorghe Marinescu, Pierre Janet a Charles-Joseph Bouchard.
.