Tras licenciarse en medicina en la Sorbona en 1853 con una tesis doctoral sobre diversas formas de reumatismo articular, Charcot trabajó primero como propietario de una consulta privada y desde 1848 como médico de hospital en la Salpêtrière, donde llegó a ser médico jefe en 1862. En 1872 fue nombrado profesor titular de anatomía patológica en la Universidad de París, donde publicó numerosos trabajos sobre anatomía y patología del sistema nervioso. En 1882, se creó la primera cátedra de enfermedades del sistema nervioso para Charcot en el Hôpital de la Salpêtrière de París.
En 1883, Charcot fue admitido en la Académie des sciences. Entre 1888 y 1889 publicó sus famosas Leçons du mardi, en las que demostraba casos clínicos ante un auditorio internacional de médicos, periodistas y escritores.
Ningún otro científico del siglo XIX tuvo una influencia tan duradera en el desarrollo de la neurología como Charcot. En la segunda mitad del siglo XIX realizó importantes descubrimientos en casi todas las áreas de la neurología. Fue el primero en describir la esclerosis lateral amiotrófica y la artropatía neurogénica. También distinguió la esclerosis múltiple y la enfermedad de Parkinson como cuadros clínicos independientes.
El 7 de junio de 1884, por mediación del asistente de Charcot, Raymond Combret, miembro de la Sociedad Teosófica de París, tuvo lugar una reunión con Henry Steel Olcott, de la Sociedad Teosófica, en la Salpêtrière. En sus últimos años, Charcot realizó principalmente estudios psicopatológicos sobre la histeria. Aunque algunas de sus conclusiones fueron revisadas posteriormente, tuvieron una gran influencia en el desarrollo de la psiquiatría y en el psicoanálisis de su alumno Sigmund Freud. Fue el uso clínico de Charcot de la hipnosis en un intento de encontrar una causa orgánica para la histeria lo que despertó el interés de Freud en las causas psicológicas de las neurosis.
Freud estudió con Charcot en la Salpêtrière desde agosto de 1885. Aunque más tarde logró establecer su creación, el psicoanálisis, como una ciencia independiente, a menudo se olvida que comenzó con el estudio de Charcot sobre la hipnosis. Otras investigaciones de Charcot sobre los estados alterados de conciencia provocados por el trance hipnótico dieron lugar a otras disciplinas menos afines al zeitgeist materialista que las de Freud. Freud tradujo dos de los libros de Charcot y los dotó de anotaciones críticas.
Charcot era representante de la ciencia dominante del siglo XIX, que había llegado a un acuerdo con la hipnosis, y se preocupaba por encontrar una explicación neurofisiológica a los síntomas que observaba. Buscó una explicación puramente materialista por la cual las personas que podían ser fácilmente hipnotizadas podían ser consideradas como enfermos mentales, y por la cual las etapas sucesivas de la hipnosis podían ser estrictamente clasificadas. No fue hasta 1884 cuando sus hipótesis fueron puestas en duda por Hippolyte Bernheim y Ambroise-Auguste Liébeault, quienes teorizaron que el estado hipnótico se producía por sugestión, lo que finalmente se demostró en la práctica médica de Liébeault. Resulta que la creencia de Charcot de que la hipnosis tenía causas patológicas se debía al hecho de que trabajaba principalmente con histéricos en la Salpêtrière. Charcot admitió su derrota unos meses antes de su muerte al proclamar en un artículo que los histéricos eran, en principio, fácilmente sugestionables.
Charcot murió después de 1893 de un ataque de angina de pecho.
Jean-Martin Charcot, como médico artísticamente dotado desde la juventud e interesado por el arte, coleccionó representaciones históricas de la histeria. También introdujo la fotografía como método de documentación clínica, por un lado, y como método didáctico en la enseñanza (proyección de diapositivas), por otro.
Los trabajos de Charcot son descritos con detalle por Axel Munthe en El libro de San Michele. También hay un relato detallado de Charcot en la obra estándar de Henri F. Ellenberger El descubrimiento del inconsciente: historia y desarrollo de la psiquiatría dinámica desde sus inicios hasta Janet, Freud, Adler y Jung.
Otros alumnos famosos de Charcot fueron Georges Gilles de la Tourette, Joseph Babinski, Gheorghe Marinescu, Pierre Janet y Charles-Joseph Bouchard.