Berthelot maakte in 1854 naam met zijn proefschrift, Sur les combinaisons de la glycerine avec les acides, dat eerder werk door Eugène Chevreul uitbouwde. In 1859 werd hij benoemd tot hoogleraar organische chemie aan de École Supérieure de Pharmacie, en in 1865 accepteerde hij de speciaal voor hem ingestelde leerstoel organische chemie aan het Collège de France. Hij verkreeg het lidmaatschap van de Académie de Médecine in 1863, en in 1873 van de Académie des Sciences waarin hij vanaf 1889 de rol van permanent secretaris op zich zou nemen (als opvolger van Louis Pasteur). Tijdens de Frans-Pruisische Oorlog bemoeide hij zich als patriot actief met de verbetering van het Franse wapentuig. Hij werd inspecteur-generaal voor hoger onderwijs in 1876, en werd verkozen tot senator in 1881. Als atheïst werd hij tussen 1886 en 1887 minister voor openbaar onderwijs in het kabinet van René Goblet, en in 1895 en 1896 was hij minister van buitenlandse zaken in het kabinet van Léon Bourgeois. In 1900 werd Berthelot verkozen tot lid van de Académie française.
Werk
In zijn chemisch werk ontdekte hij de synthese-routes voor vele koolwaterstoffen, vetten, suikers, en bewees daarmee dat organische scheikundige verbindingen kunnen worden bereid met behulp van dezelfde scheikundige technieken als anorganische verbindingen. Tegen de notie dat van oorsprong natuurlijke stoffen synthetisch konden worden nagemaakt bestond toentertijd theologische en filosofische weerstand, omdat ze werden beschouwd als zijnde afkomstig van de (goddelijke) schepping. In zijn latere werk richtte hij zich op de wetenschapsgeschiedenis van de scheikunde: met name de alchemie, de naamgever van de moderne chemie, en de chemie van de klassieke wereld. In 1900 kreeg Berthelot de Copley Medal.
Berthelot herontdekte in 1860 het door de Britse chemicus Edmund Davy in 1836 uitgevonden ethyn, en gaf er toen de naam acetyleen aan. Acetyleen geeft bij verbranding met zuurstof zeer hoge temperaturen en wordt gebruikt voor het lassen en snijden van metalen. In die tijd was dit een zeer revolutionaire ontwikkeling bij de bewerking en verwerking van metalen.
