Dalton est né à Eaglesfield, Cumbria (alors dans le Lancashire), en Angleterre. Après avoir été éduqué à domicile par son père, un artisan, il a commencé à enseigner dans une école locale. Son intérêt pour la chimie et la physique a grandi après avoir lu des livres sur ces sujets.
En 1793, Dalton a été nommé professeur de mathématiques à l'Académie de Newcastle-upon-Tyne (aujourd'hui l'Université de Newcastle). En tant que professeur, il a pu consacrer plus de temps à ses recherches et a commencé à étudier la chimie.
En 1794, Dalton a formulé sa loi atomique des proportions simples, qui stipule que les éléments chimiques réagissent en proportions entières de leurs atoms. En 1803, il publie son article le plus connu, « Mémoire sur la théorie atomique de la matière », où il détaille sa théorie atomique moderne, qui comprend l'idée que chaque élément chimique a un nombre unique d'atomes et qu'ils peuvent se combiner pour former des composés.
En 1805, Dalton est nommé professeur de mathématiques et de physique à l'Université de Manchester. Il a occupé ce poste jusqu'à sa mort en 1844. Pendant cette période, il a continué à faire des recherches et à publier des articles sur la chimie et la physique.
Dalton est également connu pour avoir introduit le système de notation des atomes à l'aide de symbole, qui est encore utilisé aujourd'hui. Il a également travaillé sur la coloration des cristaux et a fait des recherches importantes dans la météorologie.
En 1832, Dalton a reçu la médaille Copley de la Royal Society pour ses contributions à la chimie et à la physique. En 1837, il a été élu membre honoraire de la Société royale de l'Écosse.
Dalton est mort à Manchester en 1844 à l'âge de 77 ans. Sa théorie atomique moderne a été confirmée et élargie par les travaux ultérieurs des chimistes et physiciens, notamment Johnstone Stoney (qui a introduit le concept d'électron), et Henry Moseley (qui a développé la classification périodique des éléments).
De nos jours, Dalton est considéré comme l'un des plus grands chimistes de tous les temps et son travail continue à être apprécié pour sa profondeur et sa clarté.