Egy tizenhat gyermekes családban született, bátyja és társa a kísérletekben, Joseph-Michel 1740. augusztus 26-án látta meg a napvilágot.
Kezdetben szorgalmas kispolgári életet éltek, idejüket az apjuktól örökölt papírgyár vezetése töltötte ki, de Joseph már ekkor találékony újítónak bizonyult, s így a gyár felvirágzott. Az anyagi biztonság lehetővé tette számukra, hogy műkedvelő fizikusként kísérletekbe kezdjenek.
Főként a repülés foglalkoztatta őket: Joseph 1777-ben egy magas épület tetejéről a maga készítette ejtőernyővel ugrott le, és a városka izgatott lakosainak legnagyobb megdöbbenésére épségben ért földet. A legenda szerint a léggömb ötletét az adta, hogy egyszer a száradni kitett párnahuzat a tűzhelyből kicsapó meleg levegővel telt meg, és felemelkedett. Kevésbé romantikus, de valószínűbb feltételezés szerint a testvérek olvasták Joseph Priestley angol kémikus gázokkal végzett kísérleteiről szóló leírásait.
A testvérpár először a Cavendish által akkor felfedezett, a levegőnél könnyebb hidrogénnel próbálkozott. Mivel azonban az új gáz nagyon gyúlékonynak bizonyult, és még papírgyáruk termékei között sem találtak olyat, amely megbízhatóan tárolta volna, a meleg levegő felé fordultak. Először papírzsákot tartottak a tűz fölé, és az egész a mennyezetig szállt fel. Később vékony textíliából, majd taftból készítették a zsákokat, amelyeket szalma és gyapjú égetésekor keletkező füsttel töltöttek meg. Mivel már hallottak Benjamin Franklin kísérleteiről, úgy gondolták, hogy a füstnek elektromos tulajdonsága van, azért száll felfelé.
Első, még papírból készült léggömbjük kigyulladt, a második töltés közben leszakította magát tartóköteleiről és elszabadult. Mivel a város lakosai a kísérletek miatt már-már ördöngösségre gyanakodtak, a fivérek értesítették a Francia Akadémiát. Találmányukat 1783. június 5-én mutatták be először a nyilvánosság előtt: a mintegy tizenegy méter átmérőjű, vászonból és papírból készült, 245 kg súlyú, 800 köbméteres ballon hatalmas nézősereg és számos kiválóság jelenlétében Annonay vásárterén emelkedett a magasba.
A gömböt előbb egy gödör fölé kötötték, amelyben szalma és fa égett, és nyolc embernek kellett tartania, amíg megtelt meleg levegővel. Adott jelre eleresztették, és az nyílsebesen majdnem másfél kilométer magasra szállt, majd tíz perccel később, amikor lehűlt benne a levegő, másfél kilométerrel odébb épségben földet ért. A testvérek ekkor még azt hitték, hogy a titok nyitja a füstben rejlik, ezért a levegő melegítésekor nedves fát és ócska cipőt is égettek a „minél sűrűbb a füst, annál megfelelőbb” elv alapján.
A kísérlet sikere nagy lelkesedést keltett, és két hónappal később, augusztus 27-én a párizsi Mars-mezőn megismételték, de ekkor már hidrogénnel töltött gömbbel. Csodával határos módon a rendkívül tűzveszélyes ballon, amelyet égő fáklyák mellett vontattak helyére, nem robbant fel: simán felszállt, és háromnegyed óra múlva 25 kilométerrel távolabb landolt. Mivel az ottani parasztok a gonosz művének vélték és megtámadták, országos rendeletet adtak ki, amelyben ismertették a felfedezést.
A Montgolfier testvérek következő, 18 méter átmérőjű ballonjukat már a király jelenlétében bocsátották fel. A kosárban XVI. Lajos személyes parancsára kis ketrecben egy kacsát, egy tyúkot és egy birkát is elhelyeztek. A világ első légi utasai épségben értek vissza a földre, így az is kiderült: a repülés nem árt az élő szervezeteknek. A kakas ugyan kicsit megviseltnek látszott, de a beható vizsgálat tisztázta: nem a magasság ártott neki, hanem az, hogy a birka rálépett.
Az első emberi repülésre 1783. november 21-én került sor, bár az igazsághoz hozzátartozik, hogy maguk a feltalálók nem igyekeztek életüket a tudomány szolgálatában kockára tenni. Igazuk volt, amint az egy évvel később be is bizonyosodott: ekkor Joseph beszállt a Lyon városa számára tervezett ballonba, és súlyos sérüléseket szenvedett, amikor annak szövete elszakadt. A bátor úttörő szerepét Pilatre de Rozier és Francois Laurent, Arlandes márkija vállalta, mintegy félóra alatt kilenc kilométert tettek meg Párizs fölött.
A testvérek jelentős elismerésekben részesültek találmányukért: 1783-ban a Francia Akadémia tagjai lettek, 1788-ban nemességet és évjáradékot kaptak. Joseph más téren is sikeres feltalálónak bizonyult. Nem sokan tudják, de ő alkotta meg a hidraulikus kost (vízkalapácsot) 1791-ben: ez egy vízemelő erőgép, amely lényegében üzemköltség nélkül működik. 1796-ban a találmányt eladták az angol Boulton-Watt gyárnak, amely fizetett, de nem foglalkozott tovább vele, lévén elég más megrendelése. A tervrajz 1824-ig porosodott, akkor rábukkant egy angol mérnök, sőt nem csak meg-, hanem „fel” is találta, és annak rendje-módja szerint szabadalmaztatta.
A Montgolfier testvérek a léggömbkísérletek után már nem foglalkoztak a repüléssel, nevük nem forgott a köztudatban. Talán ez is hozzájárult ahhoz, hogy a forradalom és a napóleoni háborúk zavaros időszakában is békében éltek és haltak meg – Étienne 1799. augusztus 2-án, Joseph 1810. június 26-án.
