Na in 1853 aan de Sorbonne te zijn afgestudeerd als arts op een proefschrift over verschillende vormen van gewrichtsreumatiek, werkte Charcot eerst als eigenaar van een privé-praktijk en vanaf 1848 als ziekenhuisarts in de Salpêtrière, waar hij in 1862 hoofdgeneesheer werd. In 1872 werd hij gewoon hoogleraar in de pathologische anatomie aan de universiteit van Parijs, waar hij talrijke werken publiceerde over de anatomie en pathologie van het zenuwstelsel. In 1882 werd de eerste leerstoel ter wereld voor ziekten van het zenuwstelsel voor Charcot opgericht in het Hôpital de la Salpêtrière in Parijs.
In 1883 werd Charcot toegelaten tot de Académie des sciences. Van 1888 tot 1889 publiceerde hij zijn beroemde Leçons du mardi, waarin hij klinische gevallen demonstreerde voor een internationaal auditorium van artsen, journalisten en schrijvers.
Geen enkele andere 19e-eeuwse wetenschapper had zo’n blijvende invloed op de ontwikkeling van de neurologie als Charcot. In de tweede helft van de 19e eeuw deed hij belangrijke ontdekkingen op bijna alle gebieden van de neurologie. Hij was de eerste die amyotrofische laterale sclerose en neurogene arthropathie beschreef. Hij onderscheidde ook multiple sclerose en de ziekte van Parkinson van elkaar als onafhankelijke ziektebeelden.
Op 7 juni 1884 vond door bemiddeling van Charcot’s assistent Raymond Combret, een lid van de Theosofische Vereniging in Parijs, een ontmoeting plaats met Henry Steel Olcott van de Theosofische Vereniging in de Salpêtrière. In zijn latere jaren verrichtte Charcot voornamelijk psychopathologische studies over hysterie. Hoewel sommige van zijn bevindingen later werden herzien, hadden zij een grote invloed op de ontwikkeling van de psychiatrie en op de psychoanalyse van zijn leerling Sigmund Freud. Het was Charcot’s klinische gebruik van hypnose in een poging om een organische oorzaak voor hysterie te vinden, die Freud’s interesse in de psychologische oorzaken van neuroses aanwakkerde.
Freud studeerde met Charcot aan de Salpêtrière vanaf augustus 1885. Hoewel hij later met succes zijn schepping, de psychoanalyse, als een onafhankelijke wetenschap vestigde, wordt vaak vergeten dat deze begon met Charcot’s studie van hypnose. Ander onderzoek van Charcot naar veranderde bewustzijnstoestanden veroorzaakt door hypnotische trance leidde tot andere disciplines die minder aansloten bij de materialistische geest van die tijd dan dat van Freud. Freud vertaalde twee van Charcot’s boeken en voorzag ze van kritische annotaties.
Charcot was representatief voor de dominante wetenschap van de 19e eeuw, die in het reine was gekomen met hypnose, en zich bezighield met het vinden van een neurofysiologische verklaring voor de symptomen die hij waarnam. Hij zocht naar een zuiver materialistische verklaring waardoor personen die gemakkelijk konden worden gehypnotiseerd als geestesziek konden worden beschouwd, en waardoor de opeenvolgende stadia van hypnose strikt konden worden ingedeeld. Pas in 1884 werden zijn hypothesen in twijfel getrokken door Hippolyte Bernheim en Ambroise-Auguste Liébeault, die stelden dat de hypnotische toestand werd teweeggebracht door suggestie, hetgeen uiteindelijk werd bewezen in de medische praktijk van Liébeault. Het blijkt dat Charcot’s overtuiging dat hypnose pathologische oorzaken had, voortkwam uit het feit dat hij toevallig voornamelijk met hysterici werkte in de Salpêtrière. Charcot gaf enkele maanden voor zijn dood zijn nederlaag toe door in een artikel te verkondigen dat hysterici in principe goed vatbaar waren voor suggestie.
Charcot overleed na 1893 aan een aanval van angina pectoris.
Jean-Martin Charcot, als arts artistiek begaafd sinds zijn jeugd en geïnteresseerd in kunst, verzamelde historische voorstellingen van hysterie. Hij introduceerde ook de fotografie als methode voor klinische documentatie enerzijds en als didactische methode in het onderwijs (projectie van dia’s) anderzijds.
Charcot’s werken worden uitvoerig beschreven door Axel Munthe in Het boek van San Michele. Er is ook een gedetailleerd verslag van Charcot in Henri F. Ellenbergers standaardwerk The Discovery of the Unconscious: History and Development of Dynamic Psychiatry from its Beginnings to Janet, Freud, Adler and Jung.
Andere beroemde studenten van Charcot waren Georges Gilles de la Tourette, Joseph Babinski, Gheorghe Marinescu, Pierre Janet en Charles-Joseph Bouchard.