Si dedica inizialmente agli studi umanistici, che coltiva con passione. Nel 1774 si trasferisce a Parigi, dove diventa precettore del figlio del ricevitore generale delle finanze, M. Dassy, che gli permette di seguire i corsi d'astronomia di Jérôme Lalande e installa un osservatorio sul tetto del suo palazzo. Delambre comincia così le sue prime osservazioni astronomiche all'età di 36 anni.
Pubblica le tavole d'Urano, pianeta scoperto da William Herschel nel 1781, oltre a parecchie Mémoires. Nel 1792 diventa associé géomètre dell'Accademia francese delle scienze, di cui sarà segretario per le scienze matematiche a partire dal 1800. Con Pierre Méchain misura la lunghezza di un arco del meridiano di Parigi, fra Dunkerque e Barcellona, con l'obiettivo di stabilire la lunghezza del metro in modo che il meridiano risultasse lungo esattamente 40 milioni di metri. Questa spedizione durò dal 1792 al 1799.