Báró vásárosnaményi Eötvös Loránd Ágoston Budán látta meg a napvilágot, apja, báró Eötvös József író, politikus akkor éppen az első felelős magyar kormány vallás- és közoktatásügyi minisztere volt. 1865-ben a pesti egyetem jogi karára iratkozott be, de közben Petzval Ottónál matematikát és fizikát tanult, és Than Károly kémiai laboratóriumában is dolgozott. 1867-ben felhagyott a joggal, és a heidelbergi egyetemen megkezdte természettudományi tanulmányait.
1870-ben summa cum laude eredménnyel doktorált, a következő évtől a pesti egyetemen a fizika magántanára, majd rendes tanára volt, huszonöt évesen a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) levelező, 1883-ban pedig rendes tagja lett. 1878-ban – Jedlik Ányos utódaként – a kísérleti fizikai tanszék vezetője, majd a Fizikai Intézet első igazgatója, 1891–92-ben a pesti egyetem rektora, 1889–1905 között a MTA elnöke volt. 1894–95-ben vallás- és közoktatási miniszterként négyszáz új népiskolát hozott létre, emelte a tanítók jutalmazására szánt összeget.
A kapillaritást vizsgálva kidolgozta a róla elnevezett reflexiós módszert a felületi feszültség mérésére. Felismerte a folyadékok különböző hőfokon mért felületi feszültsége és a molekulasúly közötti összefüggést, amelyet Eötvös-törvénynek neveznek. Az 1880-as évek végétől a Föld gravitációs terét vizsgálta, a gravitációs térerősség változásainak mérésére szerkesztette meg a nevét világhírűvé tevő torziós ingáját, amely Cavendish és Coulomb eszközeinek továbbfejlesztett és hasznosítható változata. A horizontális variométernek elnevezett műszer voltaképpen egy fémszálra felfüggesztett vízszintes mérlegkar, egyik végén egy rögzített súllyal, a másikon egy húsz centiméter hosszú fémszálon lógó másik súllyal. A föld alatti tömegek az alsó súlyt maguk felé húzzák, eközben a felső, mérlegkart felfüggesztő fémszál megcsavarodik, a csavarodás mértéke arányos a nehézségi erő változásával.