Estudió durante tres años en Edimburgo y completó sus estudios médicos en París, volviendo por los Paises Bajos y doctorándose en Leiden en 1749. Encontró difícil llevar acabo ninguna operación quirúrgica, abandonó la medicina y, habiendo heredado una pequeña propiedad en Berwickshire de su padre, decidió dedicarse a la agricultura.

Fue a Norfolk para aprender el trabajo práctico en una granja, y de paso viajó por Holanda, Bélgica y el norte de Francia. Durante estos años comenzó a estudiar la superficie de la Tierra, bosquejando en su mente el problema al cual dedicaría mas tarde todas sus energías.

En el verano de 1754 se estableció en su propia granja en Berwickshire, donde residió durante catorce años y donde introdujo y desarrolló las mas improvisadas formas de agricultura. Según la granja fue prosperando y adquiriendo muy buen ritmo, su dirección se fue haciendo mas fácil y por tanto menos interesante, esto indujo a Hutton a dejarla y establecerse, para el resto de su vida, en Edimburgo. Esto fue en el año 1768, no estaba casado y desde ese momento vivió con sus tres hermanas, rodeado de amigos con los que compartía la afición literaria y de amigos científicos, y se dedicó a la investigación.

En esos tiempos la geología en el sentido propio de la palabra no existía. Durante el siglo dieciocho había una gran diferencia de opiniones entre dos escuelas conocidas como los Neptunistas, cuyo máximo exponente fue el geólogo alemán Abraham Gottlob Werner, que defendían la idea de que la corteza de la Tierra esta formada por una serie de capas derivadas de la deposición por un vasto océano de sedimentos de origen químico y mecánico, en una secuencia regular como las capas de una cebolla y los Plutonistas, como se conoció a Hutton y sus seguidores, quienes proponían que las rocas de la Tierra se solidificaron inicialmente a partir de una masa fundida y mas tarde han sido alteradas por otros procesos, y distinguían entre rocas sedimentarias y rocas intrusivas de origen volcánico.

Hutton deseaba seguir la pista al origen de minerales y rocas, y así llegar a una clara comprensión de la historia de la Tierra. Durante muchos años se entregó a este estudio, y al fin, en la primavera del año 1785, comunicó sus ideas a la recientemente establecida Royal Society of Edinburgh en un documento titulado "Theory of the Earth, or an Investigation of the Laws Observable in the Composition, Dissolution and Restoration of Land upon the Globe".

En este destacado trabajo expone que la geología no es cosmogonía, sino que debe atenerse al estudio de los materiales en la Tierra, introduce el concepto de uniformitarismo, que consiste en que la historia de la Tierra puede ser interpretada a partir de los procesos básicos observados todos los dias por los geólogos modernos. Razonó que estos procesos operando tan lentamente como lo hacen en la actualidad, habrían tardado millones de años en producir el paisaje actual; destacó que por todos los lugares hay evidencias de que las rocas que encontramos hoy en día sobre la superficie de la Tierra se han formado en gran parte a partir de otras rocas mas antiguas, que estos materiales han sido enterrados o sumergidos en el mar donde se han consolidado bajo enormes presiones y mas tarde han vuelto a subir a la superficie empujados por el calor subterráneo, que durante estas convulsiones ríos y bloques de roca fundida eran lanzados e inyectados entre los estratos dislocados, que todas las porciones de tierra levantada, tan pronto como quedaban expuestas a la atmósfera, son sujeto de desgaste; y que este desgaste continua hasta que dicho terreno queda al nivel del mar, donde, una vez mas, futuros levantamientos removerán estos sedimentos para dar lugar a nuevos paisajes.

Estas generalizaciones son amplias y gruesas, pero a él se le debe el reconocimiento de haber sido el primero en percibir las relaciones mutuas y combinarlas en una teoría coherente basada en la observación. Esta teoría expuesta por el chocaba con las opiniones de su época, que sostenían que la edad de la Tierra era aproximadamente de 4000 años. El principal oponente de la teoría de Hutton era el naturalista francés George Cuvier, que creía que catástrofes naturales violentas y abruptas tales como inundaciones y terremotos eran los responsables de las características geológicas de la Tierra, por esta razón a los defensores de estas ideas se los conoció como catastrofistas.

Hutton no sólo se ocupó del estudio de la Tierra, sino que también dirigió su atención a los cambios en la atmósfera. El mismo volumen en el que "Theory of the Earth" apareció, contenía también "Theory of Rain", que fue leída en la Royal Society of Edinburgh en 1784. Sostenía que la cantidad de humedad en la atmósfera se incrementa con la temperatura y, por tanto, que en una mezcla de dos masas de aire a diferentes temperaturas una cantidad de humedad se condensa y aparece de forma visible, como lluvia. Estudió los datos disponibles sobre lluvia y clima en diferentes regiones del globo, y llegó a la conclusión de que la lluvia está siempre regulada por la humedad del aire por un lado, y por aquellas causas que provocan mezclas de diferentes corrientes de aire en la alta atmósfera por otro. El vigor y la versatilidad de su genio puede verse a partir de la gran variedad de trabajos que produjo durante los años de residencia en Edimburgo. En 1702 publicó un cuarto volumen titulado "Dissertations on different Subjects in Natural Philosophy", en el cual discutía la naturaleza de la materia, fluidez, cohesión, luz, calor y electricidad. No sólo se limitó al dominio de la física, sino que sus estudios abarcaban la metafísica, publicando la obra "An Investigación of the Principles of Knowledge, and of the Progress of Reason-from Sense to Science and Philosophy". En esta obra desarrolló la idea de que el mundo externo, tal y como lo vemos nosotros, es una creación de nuestras propias mentes influenciada por la incomprensión del auténtico mundo real, y que dicho mundo creado no guarda ningún parecido con el real,y que las impresiones producidas por nuestras mentes son constantes y consistentes y se convierten así en realidades para nosotros. Sus últimos años los dedicó a la ampliación y republicación de su "Theory of the Earth", de la cual aparecieron dos volúmenes en 1795. Un tercer volumen que completaría la obra quedó manuscrito, parte del cual fue dado a la Geological Society of London por Leonard Horner y publicado por la Society en 1899 y otra parte de dicho manuscrito parece haberse perdido. Hutton se propuso recopilar y sistematizar todos sus trabajos sobre agricultura, y publicarlos bajo el nombre "Elements of Agriculture", ya casi había terminado esta labor cuando una enfermedad incurable acabó con él en 26 de marzo de 1797.

Es por su "Theory of the Earth" por lo que Hutton será recordado siempre mientras la geología siga practicándose. El estilo del autor fue sin embargo demasiado oscuro, su obra no atrajo la atención demasiado durante su vida. Afortunadamente para la ciencia Hutton contaba entre sus amigos con John Playfair, profesor de matemáticas en la Universidad de Edimburgo, el cual divulgó con entusiasmo las ideas de Hutton en claras exposiciones. Cinco años después de la muerte de Hutton publicó un volumen, "Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth", en el cual exponía un admirable resumen de la teoría, con numerosos argumentos e ilustraciones adicionales, este libro es uno de las contribuciones clásicas a la literatura geológica.