Первоначальное образование получил в дармштадтской гимназии. Университетское образование получил в Бонне и Эрлангене (1819—1822).
В 1822 г. переехал в Париж, где благодаря своей научной работе, представленной французской акд. наук, стал известен Александру Гумбольдту, через которого вошёл в тесные отношения с Гей-Люссаком. Либих уже с 1824 г. стал экстраординарным, а с 1826 г. и ординарным профессором химии в Гессене.
Благодаря своим необыкновенным дарованиям Либих скоро стал главой научной школы. При поддержке правительства им была устроена первая в Германии образцовая лаборатория, которая более четверти столетия привлекала учёных всех стран.
Многие из русских учёных были учениками Либиха, как напр. А. Воскресенский, Н. Зинин, А. Ходнев, П. Ильенков, Н. Соколов, К. Шмидт. Либих великим герцогом гессенским произведён в баронское достоинство. С 1852 г. состоял профессором в мюнхенском университете, с 1860 г. — президент академии наук и главный консерватор научных музеев государства.
В Дармштадте ему поставлен памятник в 1887 г.; в Гессене в 1890 г. и ещё ранее, в 1883 г., немецкое химическое общество воздвигло ему памятник на Максимилиановской площади в Мюнхене. Нельзя не удивляться разнообразию, многочисленности и плодотворности работ Либиха.
Изданная им в 1840 г. (9 издание в 1876 г.), «Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agrikultur und Physiologie» была, по справедливому выражению Гофмана, благодеянием для человечества. Его «Naturwissensch. Briefe ?ber die moderne Landwirtschaft» (Лпц., 1859 г.) не только интересны для химии, но и для остальных отраслей естествознания.
Не менее известны его «Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Physiologie und Pathologie» (1842, 3 изд. 1846 г.). Эти работы переведены на французский, английский, итальянский, венгерский и русский языки. Из других капитальных сочинений укажем на «Theorie und Praxis in der Landwirtschaft» (1856). Кроме большого числа научных работ, указанных ниже, Либих редактировал «Annalen der Chemie und Pharmacie», издаваемый им с 1832 г. совместно с Гейгером, с 1851 — с Велером и Коппом.
Совместно с Поггендорфом им начато издание «Handw?rterbuch der Chemie», и кроме того им была обработана химическая часть в «Учебнике фармации» Гейгера, органическая часть которого вышла как самостоятельный «Учебник химии» (1839—1843). Научные работы Либиха также касаются всех отраслей этой науки.
В технической и агрономической химии важны его исследования над цианистым калием в применении его к фабрикации жёлтой кровяной соли и гальванопластике, работы об альдегидах при фабрикации уксуса, опыты над серебрением стекла для фабрикации зеркал, над известковыми суперфосфатами в применении к земледелию.
В области аналитической химии заслуживают большого внимания работы, касающиеся метода отделения никеля от кобальта, метода определения кислорода воздуха при помощи пирогалловой кислоты, а также определение соли и мочевины в моче человека и хищных животных. Главная заслуга Либиха несомненно, однако, принадлежит к области органической химии.
Он усовершенствовал аппарат для сжигания органических соединений (печь Либиха) и улучшил метод анализа; исследовал почти все важнейшие органические кислоты; изучил продукты разложения спирта хлором, продукты окисления алкоголя и сверх того составные части жидкостей мяса. Либих открыл в аммелине и меламине первые могущие быть искусственно приготовленными углеродосодержащие основания, нашёл в моче сначала травоядных, а потом человека — гиппуровую кислоту, в жидкости мяса — креатинин и инозиновую кислоту и тирозин как продукт разложения казеина. Он отличил далее цинтонин — главную составную часть вещества мускулов — от кровяного фибрина. С Велером Либих предпринял исследование циановой и мочевой кислот, радикала бензойной кислоты и масла горьких миндалей.
Либих открыл один из фундаментальных законов экологии — закон ограничивающего фактора (известный также, как бочка Либиха).
Либих известен и как оратор. Между речами, сказанными им как президентом акд., следует указать речь «О Фрэнсисе Бэконе Веруламском» (1863), «Индукция и дедукция» (1865), одна из позднейших — «Развитие идей естествознания».
Юстус Либих похоронен на Старом южном кладбище в Мюнхене.