Tras realizar estudios en la Universidad de Cambridge y licenciarse en matemáticas y ciencias en 1922 siguió estudios de postgrado bajo la tutela de William Bragg en los laboratorios Davy-Faraday en Londres.
Hacia 1924 logró determinar la estructura molecular del grafito, una forma del carbono. En la Universidad de Cambridge, y junto con su discípula y futura ganadora del Premio Nobel Dorothy Crowfoot Hodgkin, tomó las primeras fotografías de rayos X de cristales proteicos, dando uno de los primeros pasos para los estudios de las macromoléculas orgánicas basados en cristalografía.
No le otorgaron el Premio Nobel a causa de la Guerra Fría, a pesar de que varios de sus discípulos y compañeros de investigación fueron laureados. Justo por entonces la cristalografía de proteínas se convertía en una herramienta clave para el avance de la biología molecular, pero a Bernal le dejaron fuera. Sin embargo, en 1962 sus colegas Max Perutz y John Kendrew se llevaron el Nobel de Química por sus estudios cristalográficos de las proteínas hemoglobina y mioglobina, y Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins obtuvieron el de medicina por sus descubrimientos sobre la estructura de la doble hélice del ADN.
Siempre le entusiasmó la conquista del espacio exterior. El monolito negro que expresa la inteligencia extraterrestre en la saga de novelas de Arthur Clarke («2001 Una odisea del espacio») también procede de Bernal. Fue un pionero de las estaciones espaciales orbitales, verdadera ciencía ficción para aquella época. En 1929 propuso la construcción de una estructura en forma de asteroide hueco y esférico, que se conoció como la Esfera de Bernal, de 16 kilometros de diámetro, capaz de mantener contingentes de 30.000 personas en el espacio de forma permanente.
En 1937 le nombraron miembro de la Royal Society de Londres, la máxima institución científica de Gran Bretaña. En 1958 le nombraron para la Academia de Ciencias de la URSS.
En junio de 1994 la revista francesa de divulgación científica «La Recherche»
publicó un número especial dedicado a un acontecimiento histórico que
se ha querido mantener oculto: el decisivo papel de un comunista en el desembarco de los aliados en las playas de Normandía. Para ello Bernal inventó los llamados puertos prefabricados Mulberry que se usaron en el desembarco y realizó la topografía del terreno y el suelo marino. La Armada Británica le asignó el rango de comandante para minimizar problemas relacionados con tener a un civil al cargo de las fuerzas de desembarco. Tras orquestar el Día D, Bernal desembarcó en Normandía al día siguiente.
Otra de sus aportaciones más importantes concierne al debate sobre el origen de la vida. En los países capitalistas conocemos al soviético Alexander Oparin gracias a que Bernal tradujo su obra al inglés. Pero Bernal propuso sobre el asunto hipótesis novedosas, como la intevención de la arcilla en la formación de quiralidad de las moléculas orgánicas. Luego las investigaciones de James Ferris confirmaron que las arcillas pueden actuar como catalizadores en la formación de las cadenas de ARN. El Premio Nobel Jack Szostak también ha demostrado que las arcillas pueden producir los ácidos grasos que componen las membranas de las células.
Bernal fue profesor en la Universidad de Londres. Junto con el soviético Boris Hessen, revolucionó la historia de la ciencia y sus obras, basadas en el materialismo dialéctico, han tenido gran difusión. En 1939 escribió un libro con el que inició de los estudios sociales de la ciencia y la tecnología, llamado «La función social de la ciencia». En 1954 publicó otra obra maestra «La ciencia en la historia».
A la muerte de su amigo, también científico y comunista, Frédéric Joliot-Curie, ocupó la presidencia del Consejo Mundial de la Paz y en 1953 la URSS le concedió el premio Stalin de la Paz por su contribución a la amistad entre las naciones.
En 1923 se afilió al Partido Comunista, una ideología que defendió a capa y espada hasta su muerte, ocurrida en 1971. Por eso en los países capitalistas la obra de Bernal ha sido salvajemente censurada, combatida e ignorada. Sin embargo, después de su muerte, en 1989, se celebró en Hamburgo un Simposio al más alto nivel para conmemorar el 50 aniversario de la publicación de su obra pionera «La función social de la ciencia».