A París estigué a càrrec de l'abat Dumonteil. Estudià a l'escola Pension Savouré i a la de Monsieur Sencier, on aprengué anglès. Amb aquesta formació aconseguí ser admès a la fi del 1797 a recentment creada "École polytechnique", després que s'enduguessin al seu pare a la presó a conseqüència de la Revolució Francesa. A l"École polytechnique" hi donaven classe alguns professors molt destacats: Antoine François de Fourcroy, Claude Louis Berthollet, Jean Antoine Chaptal, Gaspard Monge, Gaspard de Prony i Joseph Louis Lagrange. Tres anys més tard, el 1800, acabada la formació bàsica a l"École polytechnique" completà els estudis a l"École des Ponts et Chaussées" i rebé el títol d'enginyer de ponts i camins. Poc temps després fou assignat a Claude Louis Berthollet, quan aquest retornà de la campanya d'Egipte de Napoleó Bonaparte, com a ajudant, on rebé una intensa formació en química. Gay-Lussac fou al mateix temps, i successivament, adjunt (del 31 de desembre de 1802) i "repétiteur" (del 23 de setembre de 1804) a l"École polytechnique". El 31 de març de 1809 rebé el títol honorífic de professor de química pràctica, però a la mort de Fourcroy fou nomenat professor de química (17 de febrer de 1810). Amb la creació de la Facultat de Ciències de la Sorbona el 1808, Gay-Lussac en fou nomenat professor de física; el 1832 renuncià a aquesta càtedra a favor de la de química general del Museu Nacional d'Història Natural. El 8 de desembre de 1806 obtingué el lloc de membre de primera classe de l'Institut de França (secció de física). Ja era membre de la "Société d'Arcueil" i de la "Société Philomatique". El setembre de 1807 es casà amb Geneviève Marie Joseph Rojot (1785-1867) a l'església de Sainte Geneviève de París (actualment el Panteó). Tengueren cinc fills, Virginie Antonie Henriette, Jules Alexandre, Joséphine Eléonore, Louis Frédéric i Gabriel. Jules fou auxiliar de Justus von Liebig a Giessen.