Autodidacte, des de molt jove exercí com a mestre en diverses escoles; el 1793 s'instal·là a Manchester, on continuà fent classes particulars i investigant. Donà conferències i cursos a moltes de les grans ciutats angleses, la qual cosa li permeté d'entrar en contacte amb els principals homes de ciència britànics de l'època. Al 1794 publicà una memòria amb el títol Extraordinary Facts Relating to the Vision of Colours, on és esmentada per primera vegada la peculiaritat òptica coneguda amb el nom de daltonisme i en són descrites les característiques, que observà en ell mateix i en unes altres persones.
Al 1803 publicà la llei sobre les pressions parcials en un opuscle titulat Absorption of Gases by Water and other Liquids, i poc temps després descobrí, independentment de Joseph Louis Gay-Lussac, que tots els gasos posseeixen el mateix coeficient de dilatació. Dalton avançà les primeres idees sobre l'estructura atòmica des d'una concepció purament física, a la qual fou conduït per mitjà dels seus estudis de les propietats físiques de l'atmosfera i de diversos gasos.
