Edinburghban járt középiskolába, majd jogot tanult és művészeti előadásokat hallgatott. Mivel ügyvédbojtárként is inkább kémiai kísérleteket végzett, elbocsátották. Később orvostudományt tanult, mert itt hallhatott a legtöbbet a kémiáról, ami akkor a legjobban érdekelte. Párizsba, majd Leidenbe ment, ahol 1749-ben orvosi diplomát szerzett. Tanulmányai után az apjától örökölt rossz talajú birtokot hatékony gazdasággá fejlesztette. Barátjával, John Davie-val kidolgozták a szalmiáksó (repülősó) koromból történő előállításának módszerét. A szalmiáksót textilfestésre használták. Az eljárás haszna révén 1768-ban feladhatta farmját és Edinburghba költözött. Itt összebarátkozott Joseph Black vegyésszel, s részt vett az edinburghi Royal Society 1783-as megalapításában. Előtte - a bibliai történetek tiszteletben tartása miatt - senki sem összegezte a kőzetekről összegyűjtött rengeteg adatot, ismerték az erózió hatását, de nem tudták, milyen erők hatnak ellene. Hutton a földfelszín tanulmányozása során arra a következtetésre jutott, hogy a Föld mai arculata létrejöttének magyarázatához nincs szükség a bibliai vízözönhöz hasonló katasztrófák feltételezésére. Ez az elmélet uniformitarianizmus néven vált ismertté, mivel e szerint végig ugyanazok a folyamatok alakítják a Föld felszínét, ezért nincs szükség teremtéselméletekre. Elképzelései heves bírálatot váltottak ki, Hutton ezekre A Föld elmélete című kétkötetes munkájában válaszolt, mely 1795-ban jelent meg, a harmadik kötetet halála miatt nem tudta befejezni. Könyvének nyelvezete azonban nehézkes, s halála után elméletét majdnem elfelejtették, ám barátja, John Playfair (1748-1819), a matematika edinburghi professzora megírta a mű mesteri, világos összefoglalását, A Föld Hutton-féle elméletének szemléltetése címmel, saját megfigyeléseivel kiegészítve. Ez 1802-ben jelent meg és mindenkit meggyőzhetett az uniformitarianizmus igazáról, Hutton művét azonban Charles Lyell tette általánosan elfogadottá.