Esmark ble student i 1827 og studerte medisin i tillegg til zoologi uten å ta embetseksamen. Han ble universitetsstipendiat i zoologi i 1843 samt 1854 lektor og 1863 professor i samme emne i Kristiania. Fra 1847 var han konservator ved universitetets zoologiske samlinger, som han gjorde betydelig større, og som han var intendant for fra 1854. Han opparbeidet en betydelig zoologisk samling av insekter og alle hvirveldyr som fantes i Norge samt flere arter som tidligere ikke var påvist i Skandinavia. Hans bidrag til forskningslitteraturen var beskjedent. I 1879 ble han dessuten intendant for universitetets zootomiske samlinger. Han foretok flere vitenskapelige reiser til forskjellige verdensdeler.