Fils d'un docteur de Poncin, il naît à Thoirette, village situé alors dans le département de l'Ain. Il fait ses études à Nantua puis au séminaire Saint-Irénée à Lyon. Il débute en 1791 la médecine à l'Hôtel-Dieu puis est obligé de servir l'armée en 1792 comme chirurgien à l'hôpital Saint-Irénée. Soupçonné de complot contre la royauté, il est arrêté l'année suivante mais s'évade et s'engage dans l'armée des Alpes.

Désigné pour exercer à l'hôpital de Bourg-en-Bresse, il est victime de la jalousie de son confrère Buget et doit quitter l'établissement en 1794. De retour à Paris il travaille à l'Hôtel-Dieu auprès du médecin-chef Desault avec lequel il se lie d'amitié. Bichat devient sous ses ordres professeur de clinique externe et ouvre un laboratoire d'anatomie et de physiologie.
Dans le cadre d'une société d'émulation qu'il fonde, il diffuse ses travaux et ses découvertes. Bichat connaît dès lors le succès et la reconnaissance. En 1799, la société de médecine de Paris lui attribut un siège. Son ouvrage Recherches physiologiques sur la vie et la mort paraît en 1801 et lui permet d'être nommé médecin-chef de l'Hôtel-Dieu.

L'année suivante, il contracte le germe d'une fièvre putride à l'amphithéâtre d'anatomie et au chevet des malades, puis fait une chute qui aggrave son état. Amoindri par le travail et la maladie, une méningite soudaine l'emporte dans sa trentième année. Il est enterré au cimetière du Père Lachaise à Paris.

Fondateur de l'anatomie générale, il a influencé par son travail et ses écrits toute une génération de médecins et à su introduire la médecine moderne en France à l'aube du XIXe siècle.