După ce a absolvit medicina la Sorbona în 1853 cu o teză de doctorat despre diverse forme de reumatism articular, Charcot a lucrat mai întâi ca proprietar al unui cabinet privat și, din 1848, ca medic de spital la Salpêtrière, unde a devenit medic-șef în 1862. În 1872 a devenit profesor titular de anatomie patologică la Universitatea din Paris, unde a publicat numeroase lucrări despre anatomia și patologia sistemului nervos. În 1882, prima catedră din lume de boli ale sistemului nervos a fost înființată pentru Charcot la Hôpital de la Salpêtrière din Paris.
În 1883, Charcot a fost admis la Académie des sciences. Între 1888 și 1889 a publicat faimoasele sale Leçons du mardi, în care a demonstrat cazuri clinice în fața unui auditoriu internațional de medici, jurnaliști și scriitori.
Nici un alt om de știință din secolul al XIX-lea nu a avut o influență atât de durabilă asupra dezvoltării neurologiei ca Charcot. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, a făcut descoperiri importante în aproape toate domeniile neurologiei. El a fost primul care a descris scleroza laterală amiotrofică și artropatia neurogenă. El a distins, de asemenea, scleroza multiplă și boala Parkinson ca tablouri clinice independente.
La 7 iunie 1884, prin medierea asistentului lui Charcot, Raymond Combret, membru al Societății Teozofice din Paris, a avut loc o întâlnire cu Henry Steel Olcott de la Societatea Teozofică la Salpêtrière. În ultimii săi ani, Charcot a efectuat în principal studii psihopatologice asupra isteriei. Deși unele dintre concluziile sale au fost revizuite ulterior, acestea au avut o mare influență asupra dezvoltării psihiatriei și asupra psihanalizei elevului său Sigmund Freud. Utilizarea clinică a hipnozei de către Charcot în încercarea de a găsi o cauză organică a isteriei a fost cea care a stârnit interesul lui Freud pentru cauzele psihologice ale nevrozelor.
Freud a studiat cu Charcot la Salpêtrière din august 1885. Deși, mai târziu, a reușit să-și impună cu succes creația sa, psihanaliza, ca știință independentă, se uită adesea că aceasta a început cu studiul lui Charcot asupra hipnozei. Alte cercetări ale lui Charcot asupra stărilor modificate de conștiință provocate de transa hipnotică au dat naștere altor discipline care erau mai puțin în ton cu spiritul materialist decât cele ale lui Freud. Freud a tradus două dintre cărțile lui Charcot și le-a oferit adnotări critice.
Charcot era reprezentativ pentru știința dominantă a secolului al XIX-lea, care se împăcase cu hipnoza, și era preocupat să găsească o explicație neurofiziologică pentru simptomele pe care le observa. El a căutat o explicație pur materialistă prin care persoanele care puteau fi ușor hipnotizate să poată fi considerate bolnave mintal și prin care etapele succesive ale hipnozei să poată fi strict clasificate. Abia în 1884, ipotezele sale au fost contestate de Hippolyte Bernheim și Ambroise-Auguste Liébeault, care au teoretizat că starea hipnotică este produsă prin sugestie, ceea ce a fost dovedit în cele din urmă în practica medicală a lui Liébeault. Se pare că convingerea lui Charcot că hipnoza are cauze patologice a pornit de la faptul că s-a întâmplat să lucreze predominant cu isterici la Salpêtrière. Charcot și-a recunoscut înfrângerea cu câteva luni înainte de moarte, proclamând într-un articol că istericii erau în principiu ușor de supus sugestiei.
Charcot a murit după 1893 de o criză de angină pectorală.
Jean-Martin Charcot, ca medic înzestrat artistic încă din tinerețe și interesat de artă, a colecționat reprezentări istorice ale isteriei. De asemenea, a introdus fotografia ca metodă de documentare clinică, pe de o parte, și ca metodă didactică în predare (proiecție de diapozitive), pe de altă parte.
Lucrările lui Charcot sunt descrise în detaliu de Axel Munthe în Cartea lui San Michele. Există, de asemenea, o relatare detaliată despre Charcot în lucrarea standard a lui Henri F. Ellenberger, The Discovery of the Unconscious: History and Development of Dynamic Psychiatry from its Beginnings to Janet, Freud, Adler and Jung.
Alți studenți celebri ai lui Charcot au fost Georges Gilles de la Tourette, Joseph Babinski, Gheorghe Marinescu, Pierre Janet și Charles-Joseph Bouchard.
.