Nacido en Florencia, Italia, su nombre, antes de que se naturalizara francés, era Giovanni Battista Lully. Sus padres fueron Lorenzo Lulli y Caterina. En 1638 muere su hermano mayor Vergini; en octubre de 1639 su hermana Margherita. Con siete años Jean-Baptiste queda como el único hijo de sus padres. Jean-Baptiste recibió su educación con un fraile franciscano que le dio las primeras lecciones de música. Se trasladó a Francia con diez años, tras llamar la atención del Caballero de Guisa. Allí, en marzo de 1643, entró como ayuda de cámara al servicio de Mademoiselle de Montpensier, que deseaba perfeccionar sus conocimientos de la lengua italiana.
A la edad de trece años, ya manifestó dotes para la música y aprendió a tocar el violín. Luego se reveló como un excelente bailarín y entró a formar parte de la Grande Bande des Violons du Roi, compuesta por veinticuatro violines. En 1653, Lully bailó con el rey en el Ballet de la Nuit.
En 1652, con veinte años, entró al servicio de Luis XIV como bailarín de ballet y violinista. Más tarde dirigió una de las orquestas reales y en 1662 fue nombrado director musical de la familia real. Sobresalía por entonces como violinista, director y compositor.
Obtuvo rápidamente la dirección de una nueva orquesta, La Bande des Petits Violons. Perfecto cortesano y hábil hombre de negocios, muy pronto se convirtió en el primer compositor de la corte, y sus arias y ballets consagraron su reputación. Apoyado por Luis XIV, llegó a ser compositor de cámara y finalmente Superintendente de la Música de Su Majestad.
Naturalizado francés en 1661, a los veintinueve años de edad se casó algunos meses después con Madeleine Lambert, con quien tuvo seis hijos y cuyo padre, el también compositor Michel Lambert, era el director musical de Mademoiselle de Montpensier.
A partir de 1664, trabajó regularmente con Molière, con quien creó un nuevo género, la comedia ballet, sin renunciar por ello al ballet cortesano de manera definitiva.
Cortesano astuto, consiguió mantener el favor real a lo largo de toda su vida, lo que le permitió manejar la suerte de otros compositores franceses. Compuso ballets, como Alcidiane (1658), para la corte, que en ocasiones él mismo interpretaba ante el rey. En colaboración con Molière (Jean Baptiste Poquelin) compuso una serie de ballets cómicos, como Les fâcheux (1661). En 1672 consiguió mediante intrigas el puesto de director de la Académie Royale de Musique y a partir de ese momento volcó su atención en la ópera. El compositor ya había conseguido un título de nobleza y se había hecho con numerosas propiedades en París y en sus alrededores. Sus óperas, a las que denominó tragédie lyrique, estaban basadas en las tragedias clásicas de sus contemporáneos, los dramaturgos franceses Pierre Corneille y Jean Baptiste Racine. Excepto en Psique (1678), Belerofonte (1679) y Acis y Galatea (1686), su libretista fue el poeta Philippe Quinault. Desde el punto de vista musical, sus óperas son solemnes y majestuosas, con un énfasis especial en la claridad del texto y las inflexiones de la lengua francesa. Sus elaborados espectáculos de danza y los coros de gran majestuosidad tienen su raíz en el ballet de cour (ballet cortesano). Las óperas de Lully contrastan con el estilo italiano de ópera de la época, en la que se daba prioridad al lucimiento del cantante. Entre sus obras cabe citar Perseo (1682), Amadís de Gaula (1684) y la ya mencionada Acis y Galatea.
En 1681, Lully alcanzó el cénit de su carrera al convertirse en secretario del Rey. Bisexual, Lully mantenía relaciones íntimas tanto con mujeres como con hombres y, pese a todo, Luis XIV, que conocía sus inclinaciones, cerró los ojos a su conducta, si bien, bajo el influjo de Madame de Maintenon, toleraba cada vez menos la homosexualidad, llamada entonces «vicio italiano».
En 1685 estalló un escándalo. Se llegó a saber que Lully mantuvo una relación con un joven paje de la Capilla llamado Brunet. El compositor perdió entonces su crédito ante el rey. Este no asistió a las representaciones de Armide en 1686. Cuando Lully compuso su última obra Acis et Galatée, una pastoral en forma de ópera, fue solo en el castillo de Anet, ante el Delfín, y la obra se estrenó el 6 de septiembre de 1686. Murió de una gangrena en París, en 1687, a consecuencia de una herida que se hizo en el pie con su bastón de director de orquesta, una pesada barra de hierro que servía para llevar el compás golpeando el suelo con ella; esto le provocó una infección que acabó lentamente con su vida, ya que su pensamiento de ser bailarín impidió cortar su pierna para poder salvarlo. La fama de Lully se debe principalmente a su contribución a la música religiosa y escénica. Está sepultado en la basílica Notre Dame des Victoires en París, el sarcófago se encuentra sobre el arco de una puerta, del lado izquierdo.