Chaptal a commencé sa carrière comme chimiste à la Manufacture royale des tabacs de Troyes. En 1785, il fut nommé professeur de chimie à l'Académie royale de Paris. Pendant la Révolution française, Chaptal se joignit au Parti fédéraliste et prit part à la rédaction du projet de constitution de l'an III.
Après la chute des Girondins en 1793, il fut arrêté pour sa participation à leur parti et condamné à mort par le Tribunal révolutionnaire. Cependant, sa peine fut commuée en déportation en Guyane. De là , Chaptal réussit à s'évader et retourna en Europe.
De retour en France, il continua à travailler dans le domaine de la chimie et prit part aux travaux de l'Institut national des sciences et des arts (futur Institut de France). En 1799, Chaptal fut nommé ministre de l'Intérieur par le Premier Consul, Napoléon Bonaparte. Il conserve ce poste jusqu'en 1804 et joua un rôle important dans la réussite des coups d'état de Brumaire (1799) et du Saint-Bernard (1800).
En tant que ministre, Chaptal contribua à l'amélioration de l'industrie française en favorisant la création de nouvelles manufactures, l'introduction de nouvelles techniques industrielles et la construction de routes. Il est notamment connu pour avoir développé le procédé de fabrication du sucre de betterave et pour avoir amélioré la production de poudre à canon.
Après sa démission en 1804, Chaptal se consacra entièrement à la chimie. Il travailla notamment sur l'élaboration d'un nouveau procédé pour la fabrication du nitrate de potassium, qui devint l'une des sources principales de revenus de l'État français. Chaptal publia également un grand nombre d'ouvrages scientifiques et fut élu à diverses académies savantes.
Jean-Antoine Chaptal est inhumé au Panthéon de Paris, où il rejoint de nombreuses autres figures importantes de l'histoire de France.