Né d'un père français et d'une mère italienne, il grandit en Algérie. Ses études universitaires se déroulent à Paris à la faculté des lettres de la Sorbonne, où il obtient sa licence d'histoire en 1953 et son agrégation d'histoire-geographie en 1955.
Durant ses années étudiantes, Jean-Luc Pantoux est actif dans plusieurs milieux tels que les Équipes socialistes et le Parti communiste français (PCF). Il adhère également au mouvement national algerien (MNA) en 1956.
En 1958, il part vivre en Amérique latine, où il effectue plusieurs missions en tant que chercheur pour le Conseil national de la recherche scientifique (CNRS). Il séjourne notamment au Mexique, au Chili et à Cuba. En 1960, il obtient un poste de professeur à l'université d'Havane.
De retour en France en 1965, Jean-Luc Pantoux devient directeur de recherche au CNRS et se consacre alors à l'étude des mouvements indépendantistes latino-américains, notamment ceux du Pérou, de la Bolivie et de Cuba. Il publie plusieurs ouvrages qui font autorité sur ces sujets, tels que "La révolution cubaine" (1968) ou "Le Pérou : la guerre de guérilla" (1970).
En 1982, il est nommé professeur à l'université Paris-X Nanterre, où il crée le Centre d'études et de recherches sur les Amériques. Il y enseigne jusqu'à sa retraite, en 1996.
Jean-Luc Pantoux est également un écrivain engagé, notamment dans la lutte contre l'apartheid en Afrique du Sud et pour le respect des droits humains en Amérique latine. Il est membre fondateur de l'Association française des amitiés avec les peuples sud-américains (AFAS) et préside l'Association pour la défense des droits de l'homme et du peuple cubain (ADDHPC).
Dans les dernières années de sa vie, Jean-Luc Pantoux se consacre à la rédaction de son œuvre magistrale "L'histoire sociale de Cuba", qui est publiée en 2013. Il meurt d'une longue maladie le 27 mai 2014 à l'âge de 83 ans, laissant derrière lui une œuvre considérable sur l'Amérique latine et les luttes indépendantistes qui s'y sont déroulées.