Ses parents l’envoient à Paris pour y étudier le droit. Il loge dans la capitale à l’Hôtel Cluny, où Joseph-Nicolas Delisle (1688-1768) a installé un observatoire. Lalande découvre alors l’astronomie et devient un élève zélé et favori de Delisle ainsi que de Pierre Charles Le Monnier (1715-1799).
Après la fin de ses études, il retourne à Bourg-en-Bresse pour exercer le métier d’avocat. Le Monnier obtient la permission pour envoyer Lalande à Berlin pour y observer la parallaxe lunaire, simultanément, l’abbé Nicolas-Louis de Lacaille (1713-1762) fait de même au Cap (ce qui permet de déterminer la distance Terre-lune). Le succès de sa mission le fait entrer à l’Académie des sciences de Berlin à 21 ans. Il obtient un poste d’assistant à Paris et il est élu membre de l’Académie des sciences en 1753. Il fonde la Société d'émulation de l'Ain en 1755 et il est élu membre de l’Académie de Rouen le 4 mars 1761.
S’étant consacré à l’étude des planètes du système solaire, il publie en 1759 une édition corrigée des tables d’Edmond Halley (1656-1742), à laquelle il ajoute une histoire de la comète de Halley qui est observable cette année-là. Avec l’aide d’Alexis Clairaut et de Nicole-Reine Lepaute, il en calcule la date de retour et les éléments orbitaux.
En 1762, Delisle démissionne de sa chaire d’astronomie au Collège de France en faveur de Lalande qui occupe cette fonction 46 ans. Sa maison devient une école d’astronomie, ses élèves comptent Jean-Baptiste Joseph Delambre (1749-1822), Giuseppe Piazzi (1746-1826), Pierre Méchain (1744-1804) ainsi que son propre neveu Michel Lefrançois de Lalande (1766-1839). Il utilise nombre d’amateurs pour calculer ses éphémérides plus rapidement. Sa renommée vient de son travail sur l’orbite de Vénus en 1769, mais son caractère difficile lui vaut de nombreuses inimitiés. En 1768, il entre à la loge maçonnique du Grand Orient de France.
En 1778, délaissant momentanément les étoiles pour l’hydrologie, il rédige Des Canaux de Navigation, et spécialement du Canal de Languedoc, une somme sur la navigation intérieure en tous temps et sur tous les continents qui fait encore autorité, consacrant un tiers de l’ouvrage au canal du Midi, déjà présenté comme une réalisation exemplaire. En 1795, il participe à la création du Bureau des longitudes avec l’abbé Grégoire.
Il a donné près de 250 articles sur l’astronomie, les mesures et la franc-maçonnerie à l’Encyclopédie de Diderot et D’Alembert.
Lalande a participé à la création du Calendrier républicain.
Lalande contribue grandement à populariser l’astronomie. Il fait paraître de 1789 à 1798 son Histoire céleste française où il décrit 50 000 étoiles. Il est également l’auteur d’une chronique des sciences de son époque (deux volumes, Bibliographie astronomique, 1804). Il fonde, en 1802, un prix destiné à récompenser l’œuvre d’astronomes, le prix Lalande.
Jérôme Lalande est le premier a référencer une étoile parmi d'autres sous le nom VY CMa de Magnitude 7 dans son catalogue de 1801. Aujourd'hui VY Canis Majoris est célèbre pour être la plus gigantesque étoile que homme a observé (7,9 magnitude).
