Jean-Léon Gérôme nació el 11 de mayo de 1824 en el número 9 de la rue du Centre (actual rue d'Alsace-Lorraine) de Vesoul, prefectura del departamento de Haute-Saône. Su padre, Pierre Gérôme, era orfebre, y su madre, Mélanie Vuillemot, hija de un comerciante. Sus padres se casaron el 1 de mayo de 1823 y ambos tenían 23 años cuando nació.
Estudió en el Collège de Vesoul, escuela que tomó su nombre en 1907 (Collège Gérôme), donde mostró un talento natural para el dibujo. Aprobó el bachillerato en 1840, antes de continuar sus estudios en París en 1841. Fue alumno del pintor Paul Delaroche y asistió a cursos de Bellas Artes. En 1842, expone sus primeros cuadros en Vesoul: Esquisse de bataille (Boceto de batalla), Chiens savants (Perros aprendices), Moines au lutrin (Monjes en el atril), etc.
En 1843, Gérôme acompañó a Delaroche a Italia con otros estudiantes. Visitó Roma, Florencia y Nápoles, donde realizó estudios arquitectónicos, paisajes, figuras y animales, y pintó El Foro de noche. La fiebre tifoidea le obligó a regresar a casa. A su regreso, Gérôme se incorporó al taller de Charles Gleyre, que se había hecho cargo del estudio durante la ausencia de Delaroche. Permaneció allí tres meses y, a su regreso de Italia, se convirtió en ayudante de su maestro. El pintor realiza numerosos retratos de sus padres, amigos y maestros. Gérôme se trasladó a la rue de Fleurus y compartió estudio con sus compañeros artistas. En 1845, Gérôme trabajó con Delaroche para el Musée d'Histoire de Versailles, pintando la gran composición Passage des Alpes par Charlemagne.
En 1846, Gérôme fracasa en su intento de ganar el Prix de Rome, por lo que pinta para el siguiente concurso: Jeunes Grecs faisant battre des coqs (Jóvenes griegos en batalla de gallos), que expone en el Salón de 1847 por consejo de Delaroche, lo que supone la coronación del artista de 23 años, que recibe una medalla de 3ª clase y es elogiado por Théophile Gautier, lo que le convierte en el líder de los neogriegos. En 1848, el artista pintó "Interior griego, el Gineceo", que expuso en el Salón de 1850 y que fue adquirido por Luis Napoleón, Presidente de la República. También expuso un retrato de su hermano Armand, una escena religiosa y una escena de historia titulada "Anacreonte, Baco y el Amor", encargada por el museo de Toulouse y galardonada con una medalla de 2ª clase.
En 1852, Gérôme realizó decoraciones para la biblioteca del Conservatoire des Arts et Métiers, y al año siguiente expuso en el Salón un friso encargado por Sèvres, Nations presentando sus industrias en la Exposición Universal de Londres de 1851. Realizó su primer viaje a Rusia con su amigo François Jules Got, actor de la Comédie Française, pero la guerra de Crimea les obligó a dirigirse a Constantinopla. En 1854, Gérôme decoró la Chapelle de saint Jérôme para la iglesia de Saint-Séverin por 7.000 francos. En 1855, en la Exposición Universal, el pintor fue nombrado Caballero de la Legión de Honor gracias a sus cuadros "Le Siècle d'Auguste: La Naissance du Christ" (La era de Augusto: el nacimiento de Cristo); "Le Pifferaro: Récréation au Camp" (El gaitero: recreación en el campo), y "Le Gardien de troupeau", que fue comprado por el Emperador. Gérôme instala un estudio en la rue Notre-Dame des Champs. En 1856, pasó ocho meses en Egipto con cuatro amigos, el actor Émile Augier, el escultor Auguste Bartholdi, que era el fotógrafo de la expedición, y los pintores orientalistas Léon Belly y Narcisse Berchère. Allí realizó numerosos bocetos y estudios, y Bartholdi tomó muchas fotografías que le ayudaron en sus futuras pinturas.
En 1857, Gérôme expone el cuadro "Recrues égyptiennes traversant le désert" (Reclutas egipcios cruzando el desierto). El pintor se traslada al número 70 de la rue Notre-Dame des Champs, donde se encuentra La Boite à Thé, un estudio de artistas en el que se codean Hamon, Boulanger, Toulmouche, Picou, Eugène Lambert, Gustave Brion, etc. Gérôme ayudó a decorar la casa de Napoleón en la avenida Montaigne y, en colaboración con Millet, decoró el vagón de ferrocarril del Papa Pío IX. En 1859, el marchante de arte Adolphe Goupil comenzó a distribuir las obras de Gérôme en grabados y fotografías, vendiéndolas a una clientela internacional. Conoció a la hija de Goupil, Marie, nacida en 1842, que se convertiría en su esposa. En 1860, adquiere el castillo de Couvelon, no lejos de Vesoul, y traslada allí a sus padres. Gérôme abre también un estudio privado. Goupil organiza una exposición pública con un centenar de cuadros de Achenbach, Boulanger, Brascassat, Cabanel, Cermak, Dubuffe, Gérôme, Gleyre, Jadin, Toulmouche, etc. Goupil abrió los estudios fotográficos de la empresa en la avenida Pereire, donde se reprodujeron las primeras fotografías de la obra de Gérôme y se publicaron en La Galerie photographique. En 1861, Gérôme es candidato a la Académie. En 1862 realiza su segundo viaje a Egipto, Judea y Siria, visita Jerusalén y pinta a Luis XIV y Molière. En 1863, Gérôme se casa con Marie Goupil, y la pareja se instala en una mansión privada de la rue de Bruxelles, donde tienen cinco hijos.
En 1864, Gérôme se convierte en profesor de Bellas Artes y se abren tres estudios: el de Gérôme, el de Isidore Pils y el de Alexandre Cabanel. Fue un profesor muy querido y respetado, que formó a cientos de alumnos de todas las nacionalidades (alrededor de 2000), entre ellos : Pierre Bonnard, Maxime Faivre, Pascal Dagnan-Bouveret, Jean-Jules-Antoine Lecomte du Nouy, Thomas Eakins, Prosper Henri Wirth, Frank Boggs, Frederick Bridgman, Kenyon Cox, Jules Flour, Paul-Maurice Duthoit, Julian Alden Weir, Dennis Miller Bunker, William Dodge, Alexander Harrison, Robert Lee Mac Cameron, Siddons Mowbray, Émile Nickels, Harper Pennington, Georges Picard, William Picknell, Julius Stewart, Abbott Thayer, Douglas Volk, Wyatt Eaton, Lawton Parker, Fernand Pelez de Cordova, Eugène François Deshayes, François-Maurice Roganeau, Albin Meyssat, Vassili Verechtchaguine, Alexandre Bloch, Alexandre Rapin y Léon Bakst, Marie Cassatt, Odilon Redon, Forain, Raffaëlli, Helleu, Albert Bartholomé, Maillol, Fernand Léger, La Gandara y Boldini. En 1865, Gérôme fue elegido miembro del Instituto y recibió un encargo oficial para presentar en el Salón: La Audiencia de los Embajadores Siameses en Fontainebleau.
En 1867, en la Exposición Universal, Gérôme obtiene la Medalla de Honor por su cuadro "La muerte de César" y es nombrado Oficial de la Legión de Honor. En 1868, regresa a Egipto durante cuatro meses, acompañado de dos de sus alumnos, Paul-Marie Lenoir y Jean-Richard Goubie, de su cuñado Albert Goupil, que será su fotógrafo, y de los pintores Léon Bonnat y Ernest Journault, así como del pintor Willem de Famars-Testas. Pintó una serie de cuadros de Bonaparte en El Cairo. En 1869, Gérôme fue elegido miembro honorario de la Real Academia. Regresó a Egipto y asistió con sus amigos a la inauguración del canal de Suez.
1870, cuando se declaró la guerra, Gérôme puso a su familia a salvo en Londres y regresó a París para participar en la defensa de la ciudad, pero con la derrota de Sedán y la caída del Imperio, huyó a Londres, donde permaneció de septiembre de 1870 a junio de 1871. Allí el pintor comenzó la serie dedicada a los hammam y el primer lienzo de su serie de interiores de mezquitas, que expuso en la Royal Academy. De vuelta a París, su casa de la ciudad había sido bombardeada. Gérôme continuó sus viajes, España, Tánger, Argel, regresando a Egipto en 1874, año en el que ganó una medalla de oro por sus cuadros "La eminencia gris" y "Rex Tibicen". Gérôme también dibujó viñetas para las Fábulas de La Fontaine.
Gérôme comienza a aprender escultura en el taller de su amigo Frémiet, y recibe consejos de Bartholdi, Jacquemart y Edgar Degas y de su alumno Bartholomé. En 1875, Gérôme viaja a Constantinopla. El artista expone su primera escultura en 1878 en la Exposición Universal de Trocadero, donde presenta el grupo de bronce Los Gladiadores. Gana una medalla de honor de pintura y es nombrado Comendador de la Legión de Honor. Marchó a Turquía, y de nuevo a Egipto en 1880. En 1882, ilustra el libro de Victor Hugo Les Orientales, y se convierte en miembro del jurado del Salón. En 1883, viaja a Granada, en España, y en 1886, colabora en las ilustraciones del libro de Victor Hugo La Légende des siècles y expone su cuadro "Œdipe". En 1887, Gérôme expone su estatua Omphale en el Salón, con gran éxito. Viaja a Londres, luego a Sicilia, y expone su escultura Tanagra, que es adquirida por el Estado.
Su hijo Jean muere ahogado a la edad de 27 años. Gérôme, profundamente afligido, crea para la tumba de su hijo la escultura La Douleur. Continuó exponiendo sus esculturas y en 1893 se convirtió en presidente honorario de la recién creada Société des Peintres Orientalistes français. En 1894, Gérôme encabezó una campaña de protesta contra la exposición del legado de Caillebotte. Hacia el final de su vida, su hostilidad hacia los impresionistas, a los que consideraba la deshonra del arte francés, contribuyó al declive de su popularidad, especialmente en Francia, donde el movimiento impresionista había tenido quizá el mayor impacto en el desarrollo del arte.
En 1895 y hasta 1899, Gérôme pintó una serie de alegorías sobre el tema de la verdad, en particular sobre el asunto Dreyfus. Gérôme era partidario de Dreyfusard, y pintó "La Vérité sortant du puits, armée de son martinet pour châtier l'humanité" (La Verdad saliendo del pozo, armada con su martillo para castigar a la humanidad), esculpió un busto de Sarah Bernhardt, y de 1895 a 1899 colaboró en la ilustración de la Biblia de Ámsterdam y ejecutó ocho grisailles. En 1900, Jean-Léon Gérôme fue nombrado Gran Oficial de la Legión de Honor. Dos años más tarde, dejó de dar clases en Bellas Artes. En 1903, el pintor envió sus últimos cuadros al Salón: Predicación en la mezquita y "Vista de Médinet el Fayoum". Jean-Léon Gérôme falleció el 10 de enero de 1904 a la edad de 80 años.