Lovelock a commencé sa carrière scientifique à l'Imperial College de Londres, où il étudiait la physique et la chimie. Son travail l'amena à travailler pour le ministère de la Défense britannique sur des projets spatiaux dans les années 1950. Il a également été impliqué dans le développement du satélite britannique Black Arrow.
En 1965, Lovelock a commencé à travailler pour la NASA en Californie sur des études de recherche pionnières pour détecter la présence de vie sur Mars. Ce travail conduisit à la création du procédé GAIL, qui est maintenant utilisé dans les sonde spatiale moderne pour déterminer si une planète ou une lune possède des conditions adaptées à la vie.
C'est en 1967 que Lovelock développa sa théorie de Gaïa, en collaborant avec le géologue Lynn Margulis. La théorie a suscité un certain nombre de controverses et de débats dans la communauté scientifique, mais elle est généralement reconnue comme une contribution importante à l'écologie systémique et à la compréhension de la fonctionnement global de la Terre.
Lovelock a également été connu pour ses prévisions alarmistes sur le réchauffement climatique, notamment son avis selon lequel le niveau de dioxyde de carbone dans l'atmosphère devrait être considéré comme une pollution potentiellement dangereuse. Il est également l'auteur du concept d' « œcologie des abeilles » qui a suscité un intérêt accru pour la conservation des populations d'abeilles sauvages.
Au cours de sa carrière, Lovelock a reçu plusieurs prix et reconnaissances pour ses contributions à la science et à l'environnement, y compris le Prix Tyler en 1983 et le Prix Blue Planet en 2005. Il est également membre de la Royal Society, de la Royal Society of Literature et de la Royal Academy of Engineering.
En 2018, Lovelock a démissionné de son poste à l'University of Reading en raison de sa désapprobation des politiques du gouvernement conservateur britannique sur l'environnement. Il est maintenant un scientifique émérite et continue de publier des travaux sur le changement climatique, la conservation de la biodiversité et la théorie Gaïa.