Urodził się 4 maja 1825 roku w Coventry, w rodzinie zubożałego nauczyciela, jako jedno z sześciorga rodzeństwa. Ukończywszy z wyróżnieniem studia w akademii medycznej przy londyńskim szpitalu Charing Cross, wyruszył - wzorem Darwina - w czteroletni rejs na okręcie kartograficznym JKM "Rattlesnake" jako przyrodnik i lekarz okrętowy. Podczas pobytu w Australii poznał Henriettę Anne Heathorn, z którą się zaręczył, a pięć lat później - poślubił. Podczas ponadczterdziestoletniego szczęśliwego małżeństwa doczekali się siedmiorga dzieci; syn wydał później jego biografię i listy ("Life and Letters"). Wnukami Thomasa Henry'ego Huxleya był sir Julian Huxley (1887-1975), wybitny angielski zoolog i biolog ewolucyjny (a także pierwszy dyrektor generalny UNESCO), oraz noblista z medycyny sir Andrew Fielding Huxley (1917-), a także Aldous Huxley (1894-1963), pisarz, autor m.in. słynnej antyutopii "Nowy wspaniały świat".

Już dorobek naukowy 26-letniego Huxleya będący plonem rejsu zaowocował wyborem młodego przyrodnika do Royal Society (którego prezesurę objął parędziesiąt lat później). Po kilku "chudych latach" Huxley został profesorem kilku uczelni i prezesem Brytyjskiego Towarzystwa Krzewienia Nauk (British Association for the Advancement of Science), oraz współzałożycielem najbardziej prestiżowego czasopisma naukowego "Nature". Doczękał się też urzędu ministra rybołówstwa.

Huxley propagował oświatę wśród ubogich warstw społecznych (np. prowadził cieszące się wielkim powodzeniem wykłady dla robotników, a także zajęcia dla nauczycieli, kobiet i dzieci), oraz położenie w szkołach wszystkich szczebli większego nacisku na przedmioty matematyczno-przyrodnicze zamiast wykształcenia klasycznego (choć był miłośnikiem muzyki, poezji, zwłaszcza Miltona i Szekspira, oraz malarstwa).
Między innymi wprowadził dla studentów medycyny praktyczne ćwiczenia laboratoryjne zamiast tradycyjnego opierania się tylko na wiedzy podręcznikowej. Krytykował inwestowanie głównie w imponujące architektonicznie gmachy uniwersyteckie zamiast w jakość kształcenia. Działał też w londyńskim kuratorium oświaty (London School Board), dążąc do reformy szkolnictwa polegającej m.in. na poprawie edukacji zdrowotnej, higieny, kultury fizycznej, oraz bezpośredniego kontaktu uczniów z przyrodą. Jak wspominał prof. Gladstone, Huxley "odrzucał myśl o szkole mającej wykształcić parafian dla kościołów i siłę roboczą dla fabryk. (...) Chciał działać dla dobra samych dzieci, by umożliwić im życie pełniejsze, prawdziwsze, bardziej wartościowe." Uważał, że tylko postęp nauki, poznanie i zastosowanie praw przyrody może przyczynić się do tego, by ogół społeczeństwa żył zdrowiej, dłużej i pełniej - do czego konieczne jest powszechne wykształcenie obywateli. Jego zabiegi przyczyniły się niewątpliwie do ukształtowania podwalin nowoczesnego społeczeństwa i pozostały trwałym wkładem Huxleya nie tylko w historię nauki.

Słynął z upodobania do empirycznego sprawdzania wszelkich utartych poglądów, by nie przyjmować niczego na wiarę (w autobiografii żartobliwie czyni stosowną aluzję do swego patrona - niewiernego Tomasza), oraz starannej analizy logicznej. Starał się dokładnie "rozebrać problem na czynniki pierwsze" (jako lekarz i przyrodnik czuł się po trosze "inżynierem in partibus infidelium [z misją wśród pogan]"). W jego esejach do dziś można też docenić warsztat stylistyczny i biegłość dydaktyczną (a współcześni wspominali, że jeszcze większe wrażenie wywierał jako zapalony wykładowca i przenikliwy dyskutant "na żywo"). Bezkompromisowo obnażał luki w rozumowaniu i zmuszał do przemyśleń zamiast posługiwania się obiegowymi kliszami. Najbardziej jednak zasłynął jako "pies łańcuchowy Darwina". Urodzony polemista, wyręczał schorowanego Darwina w publicznych debatach (najsłynniejsza anegdota wiąże się z jego ripostą na pytanie biskupa Samuela Wilberforce'a, czy pochodzi od małpy ze strony dziadka, czy babki). Jako propagator ewolucjonizmu był autorem kilku poczytnych książek, np. "Miejsce człowieka w przyrodzie". To Huxley ukuł też słowa "agnostyk" i "kreacjonista".

Nawał obowiązków niejednokrotnie zmuszał uczonego, który był dość wątłego zdrowia, do dłuższych przerw w celu nabrania sił. Kuracje obejmowały wyjazdy w strony o zdrowszym klimacie. W latach 70. XIX wieku Huxley podróżował po basenie Morza Śródziemnego - od Gibraltaru po Egipt, odwiedził Francję i Stany Zjednoczone, a u schyłku życia sporo czasu spędził w Szwajcarii i Włoszech. Władał obok angielskiego także francuskim, niemieckim, włoskim i greką.

Zmarł 29 czerwca 1895 roku, niemal do końca pracując, w nadmorskim Eastbourne, gdzie zamieszkał kilka lat wcześniej - po stopniowym wycofaniu się z aktywnego życia akademickiego w Londynie - i cieszył się spokojną starością w otoczeniu żony, dzieci, wnuków i przyjaciół, którzy odwiedzali go w ulubionym ogrodzie.

Wybrane teksty Huxleya (w tym jego autobiografia) dostępne są online.