Após graduar-se em medicina pela Sorbonne em 1853 com uma tese de doutorado sobre várias formas de reumatismo articular, Charcot trabalhou primeiro como proprietário de um consultório particular e a partir de 1848 como médico hospitalar no Salpêtrière, onde se tornou médico chefe em 1862. Em 1872 tornou-se professor titular de anatomia patológica na Universidade de Paris, onde publicou numerosos trabalhos sobre a anatomia e patologia do sistema nervoso. Em 1882, a primeira cadeira mundial de doenças do sistema nervoso foi criada para Charcot no Hôpital de la Salpêtrière em Paris.
Em 1883, Charcot foi admitido na Académie des sciences. De 1888 a 1889 ele publicou suas famosas Leçons du mardi, nas quais demonstrou casos clínicos perante um auditório internacional de médicos, jornalistas e escritores.
Nenhum outro cientista do século XIX teve uma influência tão duradoura no desenvolvimento da neurologia como Charcot. Na segunda metade do século XIX, ele fez descobertas importantes em quase todos os campos da neurologia. Ele foi o primeiro a descrever a esclerose lateral amiotrófica e a artropatia neurogénica. Ele também distinguiu a esclerose múltipla e a doença de Parkinson como quadros clínicos independentes.
Em 7 de junho de 1884, através da mediação do assistente de Charcot, Raymond Combret, membro da Sociedade Teosófica em Paris, teve lugar um encontro com Henry Steel Olcott da Sociedade Teosófica na Salpêtrière. Nos seus últimos anos, Charcot realizou principalmente estudos psicopatológicos sobre histeria. Embora algumas de suas descobertas tenham sido revistas mais tarde, elas tiveram grande influência no desenvolvimento da psiquiatria e na psicanálise de seu aluno Sigmund Freud. Foi o uso clínico da hipnose por Charcot na tentativa de encontrar uma causa orgânica para a histeria que despertou o interesse de Freud pelas causas psicológicas das neuroses.
Freud estudado com Charcot no Salpêtrière a partir de agosto de 1885. Enquanto mais tarde ele estabeleceu com sucesso sua criação, a psicanálise, como uma ciência independente, muitas vezes se esquece que ela começou com o estudo da hipnose por Charcot. Outras pesquisas de Charcot sobre estados alterados de consciência causados por transe hipnótico geraram outras disciplinas que estavam menos em sintonia com o zeitgeist materialista do que as de Freud. Freud traduziu dois livros de Charcot e forneceu-lhes anotações críticas.
Charcot era representativo da ciência dominante do século XIX, que tinha chegado a um acordo com a hipnose, e estava preocupado em encontrar uma explicação neurofisiológica para os sintomas que ele observava. Ele procurou uma explicação puramente materialista através da qual pessoas que poderiam ser facilmente hipnotizadas pudessem ser consideradas doentes mentais e através da qual as sucessivas fases da hipnose pudessem ser estritamente classificadas. Só em 1884 é que suas hipóteses foram contestadas por Hippolyte Bernheim e Ambroise-Auguste Liébeault, que teorizaram que o estado hipnótico foi produzido por sugestão, o que acabou sendo comprovado na prática médica de Liébeault. Acontece que a crença de Charcot de que a hipnose tinha causas patológicas decorreu do facto de ele ter trabalhado predominantemente com histéricas no Salpêtrière. Charcot admitiu a derrota alguns meses antes de sua morte, proclamando em um artigo que os histéricos estavam, em princípio, facilmente sujeitos à sugestão.
Charcot morreu após 1893 de um ataque de angina pectoris.
Jean-Martin Charcot, como médico artisticamente dotado desde a juventude e interessado em arte, colecionou representações históricas da histeria. Ele também introduziu a fotografia como método de documentação clínica, por um lado, e como método didático no ensino (projeção de slides), por outro.
Charcot’s works are described in detail by Axel Munthe in The Book of San Michele. Há também um relato detalhado de Charcot no trabalho padrão de Henri F. Ellenberger The Discovery of the Unconscious: History and Development of Dynamic Psychiatry from its Beginnings to Janet, Freud, Adler e Jung.
Outros alunos famosos de Charcot foram Georges Gilles de la Tourette, Joseph Babinski, Gheorghe Marinescu, Pierre Janet e Charles-Joseph Bouchard.