Né à Paris le 9 février 1910, Jacques Lucien Monod est le fils du peintre Lucien Hector Monod et de Charlotte Todd MacGregor, americaine née à Milwaukee. Jacques Monod est un descendant du pasteur Jean Monod, et le frère de Philippe Monod. Il a deux fils jumeaux : Olivier, chercheur au CNRS à l'Institut des Sciences de la Terre d'Orléans (ISTO), et Philippe, physicien retraité de l'ESPCI de Paris, nés de son mariage avec Odette Bruhl, une petite-fille du grand rabbin de France Zadoc Kahn. Il est aussi le beau-frère du zoologiste Georges Teissier et de sa femme Lise Bruhl, et le cousin de Geneviève Zadoc-Kahn, régisseuse des concerts Musigrains.
C'est lors d'un stage en 1929 à la Station biologique de Roscoff, dirigée par Georges Teissier, qu'il rencontre sa future épouse, belle-sœur du directeur.
Jacques Monod fut résistant pendant la Seconde Guerre mondiale, tout comme son demi-frère Philippe Monod. C'est d'ailleurs grâce à l'action de ce dernier que Jacques peut s'évader de France, via Belfort, en 1944.
Il fait l'essentiel de sa carrière au sein de l'Institut Pasteur de Paris et devient professeur à la faculté des Sciences de Paris, puis au Collège de France, et enfin directeur de l'Institut Pasteur de 1971 à 1976. En 1965, il reçoit le Prix Nobel de physiologie ou médecine avec François Jacob et André Lwoff pour ses travaux en génétique. En 1966, il porte, avec notamment François Jacob, le projet de création d'un centre de recherche spécialisé en biologie moléculaire. Cet institut adoptera le nom d'Institut Jacques-Monod en 1982. Son livre Le Hasard et la nécessité (1970) a eu un très fort retentissement, amenant les débats sur la biologie sur la place publique. Monod y expose ses vues sur la nature et le destin de l'humanité dans l'univers, concluant ainsi son essai : « L’ancienne alliance est rompue ; l’homme sait enfin qu’il est seul dans l’immensité indifférente de l’Univers, d’où il a émergé par hasard. Non plus que son destin, son devoir n’est écrit nulle part. À lui de choisir entre le Royaume et les ténèbres. »
Il fut président du Centre Royaumont pour une Science de l'Homme.
Il était proche du philosophe Karl Popper, qui lui dédia l'édition française de 1978 de La Société ouverte et ses ennemis.
Il adhère au Parti communiste français au sortir de la guerre, mais s'en éloigne en 1948, au moment de l'affaire Lyssenko.
Décédé à Cannes d'une leucémie, il y est enterré, au cimetière du Grand Jas.