W 1833 roku ukończył Politechnikę w Paryżu, po czym w latach 1837–1846 wykładał na niej astronomię. W roku 1846 został kierownikiem specjalnie dla niego utworzonej katedry mechaniki nieba w Uniwersytecie Paryskim, a w 1849 roku – kierownikiem katedry astronomii.
Od 1846 roku był profesorem uniwersytetu w Paryżu. W latach 1854–1870 oraz 1873–1877 był dyrektorem obserwatorium w Paryżu. W 1846 roku na podstawie analizy perturbacji orbity Urana przewidział istnienie Neptuna, a następnie obliczył parametry orbity tej nieznanej wówczas planety. Swoje prace przedstawił niezależnie od angielskiego astronoma Johna C. Adamsa. W tym samym roku niemiecki astronom Johann Galle na podstawie obliczeń Urbaina Le Verriera w ciągu godziny odnalazł Neptuna. W 1848 roku za to odkrycie zarówno Adamsowi, jak i Le Verrierowi, przyznano Złoty Medal Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Samodzielnie ten medal otrzymał dopiero w roku 1868 oraz ponownie w 1876.