Joseph Dalton Hooker föddes som andre son till sir William Jackson Hooker och Maria Sarah Turner. Modern var bankiren Dawson Turners äldsta dotter, och svägerska till Francis Palgrave. Redan i unga år började Joseph Dalton Hooker närvara vid faderns föreläsningar vid Glasgow University, där denne var innehavare av Regis-professuren i botanik. Intresse för James Cooks resor, ledde honom till studier av växters geografiska utbredning.
Han doktorerade i medicin 1839, och kunde därefter delta i James Clark Ross segling till Antarktis med HMS Erebus. Hans Flora Antarctica (1844–47) gav honom berömmelse för hans förmåga att systematisera. Han skrev senare också Flora Novae-Zelandiae (1851–53) och Flora Tasmaniae (1853–59).
1855 anställdes Hooker vid Kew som assistent, och blev 1865 dess föreståndare.
1859 utgav Hooker Introductory Essay to the Flora Tasmaniae där han ger stöd åt Charles Darwins teori om evolutionen;de båda hade vid det laget varit goda vänner i många år. Genom sin artikel 1859 blev Hooker den förste vetenskapsman att stödja darwinismen. Han skulle även senare fortsätta försvara sin vän och dennes teorier.
1846 deltog han i Geological Survey of Great Britain och ägnade sig där åt palaeobotanik genom att leta fossiler av växter i Wales. Året därefter skickade hans far honom till Indien och Himalaya för att samla växter till Kew.
Han var gift två gånger. Första hustrun var Frances Harriet Henslow (1825–1874), dotter till John Stevens Henslow. Andra hustrun hette Hyacinth Jardine (1842–1921), och var dotter till William Samuel Symonds och änka efter sir William Jardine.