В 1843 г. окончил Парижский университет, получив степень доктора медицины; несколько лет занимался научными исследованиями в собственной лаборатории. В 1845-1850 гг. был профессором химии и деканом естественнонаучного факультета университета в Безансоне. В 1851 г. Сент-Клер Девиль становится профессором химии в Высшей нормальной школе в Париже. С 1870 по 1880 г. читал лекции в Сорбонне. В 1861 г. был выбран членом Парижской Академии наук по отделению минералогии; с 1869 г. — иностранный член-корреспондент Петербургской Академии наук.
В 1849 г. Сент-Клер Девиль получил азотный ангидрид (действием хлора на сухой нитрат серебра). Широкую известность ему принёс созданный им в 1854 г. промышленный способ получения алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия NaCl·AlCl3. За 36 лет его применения, с 1855 по 1890 гг., способом Сент-Клер Девиля было получено 200 тонн металлического алюминия. В 1856 г. получил алюминий электролизом расплава хлорида натрия-алюминия.
В 1855-1859 гг. Сент-Клер Девиль совместно с французским химиком Ж.А. Дебре разработал методы очистки сырой платины и выделения её спутников из платиновых остатков (материал и средства для этих опытов предоставило русское правительство). Сент-Клер Девиль также показал возможность плавить платину в особой известковой отражательной печи в водород-кислородном пламени и таким образом упростил производство платиновых сосудов — чашек, тиглей и пр. В 1872 г. по поручению Международной комиссии мер и весов он приготовил сплав платины с 10 % иридия, из которого были изготовлены международные эталоны метра и килограмма.
Наибольшую научную заслугу Сент-Клер Девиля составляет введение в теоретическую химию нового понятия о диссоциации. В 1857 г. в статье «О диссоциации, или самопроизвольном разложении веществ под влиянием тепла» Сент-Клер Девиль показал, что под влиянием температуры происходит разложение водяного пара на кислород и водород при температуре плавления платины (1750 °С) и при температуре плавления серебра (950 °С). В лекциях о диссоциации, прочитанных в 1864 г. перед Французским химическим обществом, Сент-Клер Девиль формулирует конечный вывод своих экспериментов:
