Le Châtelier se formó en el Colegio Rollin, la Escuela Politécnica y la Escuela de Minas de París. Tras su licenciatura trabajó durante dos años como ingeniero de minas, hasta que en 1877 fue nombrado profesor de química en la Escuela de Minas, cargo que desempeñó hasta 1925.
En 1888 formuló un principio según el cual el equilibrio en una reacción química se encuentra condicionado por los factores externos, que lo desplazan hasta contrarrestar los cambios producidos. Le Châtelier desconocía que estas conclusiones fueron anticipadas por el físico norteamericano J. W. Gibbs, y las publicó en la "Ley de estabilidad del Principio Químico", actualmente conocida con el nombre de principio de Le Châtelier.En 1908 fue profesor de Química en la Universidad de París y entre 1914 y 1918 trabajó para el Ministerio de Armamento. Realizó estudios termodinámicos y observó el calor específico de los gases a altas temperaturas mediante el empleo de un pirómetro óptico. Fomentó la aplicación de la química en la industria, y llegó a ser una eminencia en metalurgia, cementos, cerámica, cristales, combustibles y explosivos.
A él se debe la introducción del oxiacetileno en la industria metalúrgica para moldear y cortar el metal, así como las técnicas de producción del amoníaco basadas en su principio, válido tanto para reacciones químicas como para procesos físicos reversibles (evaporación, cristalización). Entre sus publicaciones más destacadas se encuentran Ciencia e industria (1925) y Método de las ciencias experimentales (1936).
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