עם שחרורו מהצבא החל לעבוד כפקיד בנק בפריז, ולאחר שצבר את הממון הדרוש החל בלימודי רפואה, שבהם התמיד במשך ארבע שנים. בזמן לימודי הרפואה פיתח עניין רב במוזיקה. אולם התחום שאליו נמשך יותר מכול היה הבוטניקה, שאותה למד בגני המלך בפריז, ששימשו כמרכז ללימודי רפואה ולחקר הטבע. לאמארק בלט מאוד בלימודיו, ואף זכה לתמיכה רבה מז'ורז'-לואי לקלרק דה בופון (מדען צרפתי מהמובילים בתקופתו, מחבר היצירה המקיפה "ההיסטוריה של הטבע"), שסייע לו בין היתר להתקבל לאקדמיה הצרפתית למדעים.
ב-1778 פרסם לאמארק את ספרו "פרחי צרפת" ("Flore Française") בשלושה כרכים. הספר זכה להערכה מקצועית רבה, אשר הקנתה למחברו משרה כעוזר בוטניקאי בגני המלך. משרה זו לא הקנתה ללאמארק ביטחון כלכלי, ולמרות זאת, תוך שהוא חי בדוחק, הוא החזיק בה עד 1793. בשנה זו, לאחר הוצאתם להורג של לואי ה-16 ומארי אנטואנט, עברו הגנים הבוטניים המלכותיים ארגון מחדש ונקראו 'המוזיאון הלאומי להיסטוריה של הטבע' (Muséum National d'Histoire Naturelle) שכלל גם את ה"ז'רדן דה פלאנט". בראש המוזיאון עמדו שנים-עשר פרופסורים משנים-עשר תחומים מדעיים שונים, ולאמארק מונה לפרופסור האחראי להיסטוריית החרקים והתולעים - תחום יצורים עצום אשר היה תחת אחריותו. חקר חסרי החוליות שימש ללאמארק מקור נרחב לידע ולמחקר שגרר אחריו פרסום ספרים רבים.
בשנת 1801 פרסם את ספרו "מערכת בעלי החיים חסרי החוליות" (Système des Animaux sans Vertèbres) ובשנת 1809 פרסם את ספרו "פילוסופיה זואולוגיה" (Philosophie Zoologique) ובו טבע לראשונה את המושג "ביולוגיה" כחקר היווצרות החיים והחוקים שעל פיהם הם פועלים, בספר זה אף הציג לראשונה את רעיונותיו האבולוציונים, אשר נקראו בפיו "תורת ההתפתחות" וכיום מכונים "לאמארקיסיזם". בין השנים 1815 ל 1822 פרסם את כרכי ספרו, "ההיסטוריה הטבעית של בעלי החיים חסרי החוליות" (Histoire Naturelle des Animaux sans Vertèbres) בו הציג את סיווגו של חסרי החוליות, סיווג מתקדם הרבה יותר מזה שהיה קיים בתקופה. הוא הפריד את קבוצות הסרטנים (Crustaceans), העכבישניים (Arachnids) והתולעים (Annelids) מהמשפחה הגדולה שהיו שייכים אליה קודם - החרקיים (Insecta).
למרות עבודתו המדעית החשובה לא זכה לאמארק במהלך חייו לכבוד לו זכו עמיתיו כדוגמת בופון וקיוויה (Georges Cuvier). האחרון אף התנגד לתאוריה האבולוציונית שהועלתה על ידי לאמארק והשתמש בכוחו הפוליטי כדי לטעון נגדה. חייו של לאמארק לוו תמיד במאבק בעוני. זאת ועוד, ב-1818, איבד לאמארק את ראייתו ובילה את שנותיו האחרונות כעיוור אשר נתמך על ידי בנותיו. ב-18 בדצמבר 1829, נפטר לאמארק ונקבר בהלוויה צנועה בקבר מושכר. לאחר חמש שנות קבורה הועברה גופתו ממקום קבורתה המקורי וכיום, מקום קבורתו לא נודע.
עבודתו המדעית.
חקר חסרי החוליות.
ב-1793, לאחר הוצאתם להורג של לואי ה-16 ומארי אנטואנט, כונן בצרפת 'המוזיאון הלאומי להיסטוריה של הטבע' (Muséum National d'Histoire Naturelle). לאמארק מונה לפרופסור האחראי על בעלי החיים אותם יכנה בהמשך "לחקר החרקים והתולעים". הוא היה הראשון שזיהה והצביע על ההבדל בין בעלי-חוליות לחסרי-חוליות (עמוד השדרה). יצורים אותם כינה בהמשך 'חסרי חוליות' (Invertebrates). בתחילה ידע לאמארק, כשאר בני תקופתו, מעט מאוד בנוגע ליצורים אלו. ברשות המוזיאון היו דגימות רבות של יצורים חסרי חוליות, אך הם לא היו מסודרים או מסווגים. לאמארק החל לחקור את אותן דגימות, והרחיב את שיטת המיון המדעית שנטבעה על ידי ליניאוס, שסיווגה אותן לחרקים ולתולעים. לאמארק זיהה עשרה סוגים שונים, וסידר את עשר הקבוצות בסדר עולה, מהיצורים הפשוטים ביותר ועד ליצורים המורכבים ביותר. לטענתו, בעלי חיים אלו התפתחו בסדר שהציג. סיווג זה של חסרי החוליות הביא אותו להרחיב את מחקרו, וב-1801, בספרו 'מערכת בעלי החיים חסרי החוליות' (Système des Animaux sans Vertèbres), סיווג את כל האורגניזמים אשר היו ידועים בתקופתו, מהפשוטים ביותר (פוליפים) ועד למורכבים ביותר (יונקים). לאמארק האמין כי על ידי חקר המורכבות של יצורים שונים ניתן להבין את הסדר הטבעי של היצירה בטבע. דוגמה לכך ניתן לראות בדברים שנשא בהרצאה ב-3 במאי 1799:
לאחר פרסום "פילוסופיה זואולוגית", שכלל בתוכו סיווג בעלי חיים שלא היה כדוגמתו לפני פרסומו, המשיך לאמארק לחקור חסרי חוליות קיימים כמו גם מאובנים של חסרי חוליות. הוא פרסם את מחקריו בין 1815 ל-1822, בספרו בן ששת הכרכים 'ההיסטוריה הטבעית של בעלי החיים חסרי החוליות' (Histoire Naturelle des Animaux sans Vertèbres). סיווגו את חסרי החוליות הפך לסיווג הנפוץ והשימושי ביותר, והוא נפוץ עד ימינו.
בעקבות מחקרו המקיף החל לאמארק להרהר על טיב הקשר בין בעלי חיים שונים, ועל הקשר בין המינים השונים בטבע. למעשה, מחקרו של לאמארק אודות חסרי החוליות הוביל אותו להגיית תורת ההתפתחות, הלאמארקיזם.
תורת ההתפתחות של לאמארק: "לאמארקיזם".
מחקרו של לאמארק אודות חסרי החוליות היה המקיף ביותר בזמנו. היה זה חקר חסרי החוליות והמאובנים אשר הביאו בשנת 1801 לזניחת אמונתו בקיומם הנצחי של המינים ולפיתוח תאוריה של שינוי אבולוציוני בעולם החי כולו. בעוד באותה תקופה מדענים מובילים כגון בופון הציעו תאוריות של שינויים הדרגתיים מסוימים בטבע, אך בניגוד אליהם לאמארק פיתח תאוריה אשר לפיה מגוון המינים בטבע הוא תוצאה של שינוי אבולוציוני והתפצלות ממינים קיימים. הוא פרסם אותה בספרו "פילוסופיה זואולוגית" אשר פורסם בשנת 1809. ב-1801 כתב:
לאמארק האמין כי תהליכים טבעיים גרמו למינים שונים להתפתח לאורך זמן רב, וכי מתפקידו של המדע לחקור תהליכים אלו. אמונתו זו של לאמארק הביאה אותו לפרסום תאוריית הטרנסמוטציה - תורת ההתפתחות (המונח 'אבולוציה' לא היה קיים אז) בספרו "פילוסופיה זואולוגית". התאוריה של לאמארק מורכבת משלושה מרכיבים עיקריים עליהם ביסס את התאוריה: התפתחות מינים רציפה לאורך זמן, בריאה ספונטנית של הטבע ותכונות נרכשות בקרב בעלי החיים.
התפתחות רצופה לאורך זמן.
סיווג האורגניזמים, בו עסק לאמארק במסגרת תפקידו במוזיאון הלאומי, הביאו להגיית רעיון ההתפתחות הרצופה, לפיו איבריהם וגופם של בעלי החיים הופכים מתקדמים יותר מדור לדור. כתוצאה מסיווג את האורגניזמים הסיק לאמארק שש מסקנות:
בתחילה ראה לאמארק את הטרנסמוטציה (ההתפתחות האבולוציונית) כתהליך ליניארי, תהליך שבו ההתפתחות מתרחשת מהצורות הפשוטות ביותר לצורות המורכבות ביותר בסדר רציף. אולם כאשר המשיך במחקרו ובתצפיותיו נתקל בנתונים אשר סתרו זאת. תחילה אבחן לאמארק את מה שראה כשני מסלולים שונים של טרנסמוטציה. האחד כלל אורגניזמים בעלי סימטריה רדיאלית, והאחר כלל אורגניזמים בעלי סימטריה בילטרלית (דו-צדדית) אותם המשיך לסווג לתת-מינים שונים גם לאחר פרסום מחקרו. לאחר מכן הצליח לאבחן תהליך אבולוציוני בו רכיכות התפתחו לדגים, דגים לזוחלים, זוחלים לדו-חיים ודו-חיים ליונקים. תגליות אלו הביאו את לאמארק לזנוח את רעיון ההתפחות הליניארית ולראות את תהליך הטרנסמוטציה כתהליך שניתן לדמותו לעץ: גזע מרכזי אשר ממנו מסתעפים ענפים שונים הנפרדים אחד מהשני. למרות זניחת רעיון ההתפתחות הליניארית לאמארק המשיך להחזיק בדעתו שכל בעלי החיים המפותחים היו חייבים לעבור תהליך התפתחותי הדרגתי כדי להגיע לרמת מורכבותם בהווה. משמעות הדבר היא שכל האורגניזמים, גם המורכבים ביותר, היו בתחילה אורגניזם פשוט חד-תאי, והתפתחו לצורתם בהווה לאורך זמן רב מאוד.
עוד האמין לאמארק כי שינויים בסביבת המחיה של אורגניזם מסוים גורמים לשינויים בצרכים של אותו אורגניזם, השינוי בצרכים של אותו אורגניזם מביא לשינוי בהתנהגותו אשר גורר שימוש מוגבר באיברים מסוימים, ומופחת באחרים. לאמארק גרס כי איבר שתדירות השימוש בו עולה סופו לגדול לאורך זמן, בעוד כי איבר שתדירות השימוש בו יורדת יקטן לאורך זמן ולבסוף אף יעלם לחלוטין. על כך כתב לאמארק:
בריאה ספונטנית.
על מנת שההתפתחות הספונטנית שהגה לאמארק תעמוד במבחן המציאות חייבת להימצא לה נקודת התחלה, את נקודת ההתחלה הסביר לאמארק בעזרת עקרון הבריאה הספונטנית. לראייתו, החי שונה באופן מהותי מהדומם, לא בגלל קיומה של מהות מיסטית, אלא בשל הארגון המיוחד של החומר החי, ארגון אשר יוצר פער איכותי בין החי לדומם. לאמארק סבר כי כאשר סוגים מסוימים של חומר אורגני קרישי מצויים בתנאים מסוימים של לחות וחום, נוצר בהם, באופן ספונטני, שטף של זרמי חום (Caloric Fluids) (זאת בהתאם לתאוריה המקובלת אז שראתה בחום סוג של נוזל המכונה קלוריק). שטף של "זרמי חום", יחד עם שטף של "נוזלים חשמליים" מביא לארגון מחדש של המסה הקרישית. ארגון זה גורם לכך שהמסה תתחיל לפעול כמכלול אחד המארגן את עצמו. שטף הזרמים בתוך המסה מחלק ומפריד בין חלקים שונים שלה, כך המסה הראשונית הופכת לבעלת חלקים שונים, שהולכים ומסתבכים אף הם. משמעות הדבר היא שהחיים (שטף הנוזלים) גורמים מטבעם לסיבוך עצמי הולך וגובר של המסה הראשונית. תכונה אופיינית של מסה מורכבת שכזאת היא היכולת לעשות את התהליך שבפינו היום מכונה מטבוליזם - ניצול משאבי הסביבה לצורכי שימור עצמי וגדילה תוך שמירת הלכידות של המכלול. תכונה זו היא האדפטיביויות המהותית למסה החיה, בשל תכונה זו יתאים עצמו החי לסביבתו. יכולת ההתאמה היא אפוא, לפי לאמארק, תכונה מהותית של החי אשר עומדת בבסיס הגדרתו כיצור חי.
תכונות נרכשות בקרב בעלי החיים.
תכונות נרכשות הן תכונות המוקנות לפרט או שנרכשות על ידי הפרט כתוצאה מהשפעתם של תנאי סביבה מסוימים.