Сын врача, брат врача и естествоиспытателя Людвига Бюхнера. Учился в Страсбурге и Гиссене, где занимался изучением естественных наук и практической медицины; издал памфлет «Der Hessische Landbote» с эпиграфом: «Friede den H?tten, Krieg den Pal?sten» («Мир — хижинам, война — дворцам»).
В 1834 году Бюхнер участвовал в революционном восстании в Гессене. За написание политического памфлета разыскивался полицией.
Избежал грозившего ему ареста бегством в 1835 году в Страсбург и здесь посвятил себя изучению новой философии, в особенности Декарта и Спинозы. В октябре 1836 года приехал в Цюрих, где получил позволение на чтение лекций; но 19 февраля 1837 года, вскоре после открытия им своего курса сравнительной анатомии, умер от тифа.
Учебник сравнительной анатомии, написанный Бюхнером, использовался в вузовском преподавании вплоть до середины ХХ века.
Всего в своей жизни Бюхнер написал три драматических произведения. Перед последним путешествием в Страсбург написал в Дармштадте в течение нескольких недель драму «Смерть Дантона» («Dantons Tod, dramatische Bilder aus der Schreckenzeit»; Франкфурт, 1835), ставшую одним из первых образцов современной драмы. В Страсбурге Бюхнер перевёл пьесы Виктора Гюго «Лукреция Борджиа» и «Мария Тюдор» (1835). В рукописи, кроме философских работ и отрывков поэтических сочинений, он оставил комедию «Леонс и Лена» («Leonce und Lena»; издана 1839), полную ума, остроты и резкой иронии, а также отрывки повести «Ленц» («Lenz», 1835) о немецком писателе Якобе Михаэле Рейнхарде Ленце (1751—1792), входившем в движение «Буря и натиск». Лучшим сочинением Бюхнера называют пьесу «Войцек» («Woyzeck», 1837; опера Альбана Берга, 1914—1922, фильмы Вернера Херцога, 1979, Яноша Саса, 1994). Драма «Пьетро Аретино» утрачена.
Поэтическое наследие Бюхнера было издано его братом под заглавием «Nachgelassene Schriften» (Франкфурт, 1850), но он был надолго забыт. Возвращением писателя стало критическое издание всех сочинений Бюхнера «S?mtliche Werke und handschriftlicher Nachlass» с биографией, написанной австрийским писателем Карлом Эмилем Францозом, оно появилось в 1879 во Франкфурте-на-Майне. С 1921 года пьесы и проза Бюхнера переносятся на кино-, а потом и на телеэкран. С 1923 года вручается премия Бюхнера, которая считается наивысшей наградой Германии в области прозы. Её получили многие крупные писатели Германии, Австрии, Швейцарии. В 1960 году она была присуждена Паулю Целану, который в ответной речи глубоко отозвался о творчестве Бюхнера.