Nacido en Basilea, quinto hijo de una familia numerosa, constituye junto con su hermano Johann, el origen de una extensa saga de matemáticos. Durante tres generaciones hasta ocho representantes de los Bernoulli se distinguieron en el campo de las matemáticas.

No tardó en orientarse hacia las matemáticas, la astronomía y la física, a pesar de la oposición de su padre. Después de viajar por Francia, Bélgica e Inglaterra, donde pudo conocer a los científicos eminentes, como a Boyle y Hooke, a su regreso a Basilea, a la edad de 33 años, fue nombrado profesor de matemáticas de la universidad. Como profesor de la universidad publicó sus trabajos en las "Acta eruditorum". Son interesantes sus contribuciones al estudio de las series. Resuelve el problema de la isócrona, propuesto por Leibniz en 1869. Es en la resolución de este problema donde aparece por primera vez el término "integral", que haría cambiar a Leibniz su expresión de "cálculo sumatorio" por la de "cálculo integral".

Se interesó Bernoulli por la espiral logarítmica, cuya evoluta es ella misma, quedando fascinado a tal punto que pidió que se grabara sobre su tumba la leyenda "Eadem mutata resurgo" (aunque cambio resurjo la misma) mostrando así el renacimiento de esta curva como un símbolo de resurrección. Su obra póstuma "Ars cojectandi", publicada en 1713, supone la primera contribución importante a la teoría de las probabilidades.