Narodil se v bretaňském Saint-Malo a pravděpodobně už měl za sebou obchodní a průzkumné mise v Brazílii a na Novém Foundlandu, když ho František I. v roce 1532 poprvé oslovil s nabídkou francouzské výpravy do Nového světa. V dubnu 1534 se Cartier vydal na dvou lodích, aby objevil, pokud to bude možné, „jisté ostrovy a země, kde se prý nachází velké množství zlata a jiných drahocenných věcí.“
Cartierovi se dařilo neobyčejně dobře, Newfoundlandu dosáhl po pouhých 20 dnech. O Cartierových navigačních schopnostech i o navigaci 16. století hodně vypovídá, že jeho výpočet zeměpisné šířky mysu Bonavista na Newfoundlandu byl jen asi 11 mil od skutečné zeměpisné šířky. Západně od Belle Isle se Cartier setkal s francouzskou lodí z La Rochelle. Z jeho vyprávění je zřejmé, že francouzští a portugalští rybáři navštěvovali tato pobřeží již delší dobu. Je zcela pravděpodobné, že západoevropští rybáři lovili v okolí Newfoundlandu již dávno před plavbou Johna Cabota v roce 1497.
Cartierovi se nelíbil nehostinný vzhled země na jižním pobřeží Labradoru a obrátil se na jih podél západního pobřeží Newfoundlandu, přeplul záliv svatého Vavřince, spatřil úrodný ostrov prince Edwarda a v polovině července 1534 dorazil do Gaspé na pevnině. Poté, co prozkoumal ostrov Anticosti v ústí řeky Svatého Vavřince, ale kvůli špatnému počasí minul řeku Svatého Vavřince, se vrátil do Francie a v září 1534 dorazil do Saint-Malo.
Téměř okamžitě byl Františkem I. znovu pověřen velkolepější výpravou v roce 1535, tentokrát se třemi loděmi, včetně Grande Hermine. V polovině května Cartier opustil Saint-Malo a vydal se přímo k ústí řeky Svatého Vavřince, kde předloni skončil. S využitím informací získaných od domorodců se vydal proti proudu velké řeky, nic o tom, jak se voda postupně mění ze slané na sladkou, a počátkem září 1535 dorazil na místo, kde se nacházela irokézská vesnice Stadacona (dnešní Quebec City). Pokračoval proti proudu řeky, zakotvil se svou lodí Emérillon u jezera svatého Petra a zbytek cesty do domorodé vesnice Hochelaga (dnešní Montreal) absolvoval na dlouhém člunu. Tam dorazil v říjnu a našel prosperující opevněnou irokézskou vesnici na úpatí kopce, který nazval Mont Réal. Z vrcholu tohoto kopce viděl peřeje, později nazvané Lachine, které bránily další plavbě na západ.
Cartier strávil zimu 1535-1536 zpět ve Stadaconě, kde jeho muži postavili primitivní pevnost. Byla to chladná zima i na kanadské poměry. Od poloviny listopadu do poloviny dubna byly Cartierovy lodě připoutány k ledu. Ještě horší byly kurděje, způsobené nedostatkem čerstvého ovoce a zeleniny – v podstatě nedostatkem vitaminu C. Ze 110 Cartierových mužů bylo v únoru 1536 v pořádku jen 10 a 25 mužů nakonec zemřelo. Domorodci měli na kurděje lék, o kterém se Cartier dozvěděl právě včas: nálev z kůry bílého cedru, který produkoval obrovské množství vitaminu C a díky němuž se muži rychle zotavili.
Cartier se vrátil do Francie v květnu 1536 a vzal s sebou 10 indiánů (včetně 4 dětí) a slíbil, že je přiveze zpět do Kanady při své příští plavbě. Všichni kromě jednoho však zemřeli, než se v roce 1541 vydala na cestu další výprava. Tentokrát výpravu vedl Jean François de la Rocque de Roberval a byla mnohem větší než ty předchozí, osadníci zahrnovali asi 1 500 mužů a měli osm lodí. Cartier vyrazil dříve než Roberval, který čekal na své zbraně, a dorazil v srpnu 1541 do Stadacony.
Tentokrát se Cartier utábořil několik mil nad Stadaconou, přezimoval pohodlněji než dříve, a když na jaře nenašel žádné stopy po Robervalovi, vydal se v červnu 1542 do Francie. V přístavu svatého Jana na Newfoundlandu se Cartier setkal s Robervalem, který mu nařídil, aby se vrátil do Quebecu. Z různých důvodů, z nichž některé nepochybně souvisely se zhoršujícími se vztahy s domorodým obyvatelstvem, se Cartier raději nevracel a pod rouškou tmy se vytratil do Francie. Usadil se na venkovském sídle nedaleko Saint-Malo. V roce 1520 se oženil s Catherine des Granches, ale neměli spolu žádné děti. Cartier zemřel 1. září 1557 v Saint-Malo.