Jean-Louis Papin a commencé sa carrière scientifique à l'École normale supérieure de Lyon, où il obtient son diplôme d'ingénieur en 1968. Il poursuit ses études à l'Université Joseph Fourier de Grenoble et obtient un doctorat en physique théorique en 1973.
En 1975, Jean-Louis Papin rejoint le Centre d'étude du rayonnement (CER) de Saclay, où il travaille sur la fusion nucléaire à confinement magnétique. Il se distingue par sa recherche sur les instabilités des plasmas et la stabilité de la fusion à confinement infini.
En 1983, Jean-Louis Papin rejoint le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) pour travailler au Centre d'études spatiales de Bruyères-le-Châtel. Il y dirige les travaux sur la fusée TJ-2M, qui vise à développer une nouvelle génération de réacteurs à fusion nucléaire.
En 1993, Jean-Louis Papin est nommé directeur général du CEA pour un mandat de cinq ans. Il met l'accent sur la recherche dans les domaines des matériaux avancés, de la santé, de l'environnement et de la sécurité énergétique.
En 1998, Jean-Louis Papin est nommé président du Centre national de la recherche scientifique (CNRS). Il occupe cette fonction jusqu'en 2006, où il est remplacé par Alain Fuchs.
Jean-Louis Papin est membre correspondant de l'Académie française depuis 2003 et membre étranger de la Royal Society depuis 2014. Il a reçu plusieurs récompenses pour son travail, dont la médaille d'or du CNRS en 2005 et la Grande Médaille d'Or de la Société française de physique en 2007.
Aujourd'hui, Jean-Louis Papin est professeur à l'Université Paris-Sud et membre de l'Académie des sciences. Il continue de travailler sur les plasmas et la fusion nucléaire à confinement magnétique, et a été récemment nommé directeur général du projet ITER.