Né le 10 mai 1788 à Broglie en Normandie, il est élevé dans une famille très croyante (janséniste). Après l'École centrale de Caen, il entre à l'École polytechnique en 1804, puis à l'École des ponts et chaussées en 1806. L'enseignement des mathématiques à Polytechnique est dispensé par des professeurs aussi éminents que Monge; au contraire, celui de physique, donné par le chimiste Hassenfratz (1755-1827), laissait à désirer. Fresnel est d'abord nommé en Vendée, à La Roche-sur-Yon, pour y construire des routes; il continue d'exercer son métier d'ingénieur à Nyons (1812). Considérant que le retour de Napoléon de l'île d'Elbe est une «attaque contre la civilisation», il interrompt sa carrière d'ingénieur et, malgré sa santé précaire, s'engage dans les forces royales aux côtés du duc d'Angoulême. Il est fait prisonnier, destitué de ses fonctions d'ingénieur au début des Cents-Jours, puis réintégré dans le corps des Ponts et Chaussées en juillet 1815 par la seconde Restauration. C'est à partir de cette date que débute sa carrière scientifique, jusqu'en 1824 où il travaille à la commission des Phares et Balises, après avoir été élu l'année précédente à l'Académie des sciences.
Il s'éteint en 1827, victime de phtisie. Il avait 39 ans.

L'optique
Dans ce domaine particulier de la physique, il s'agit pour Fresnel d'interpréter tous les phénomènes optiques – aberration des étoiles, polarisation, diffraction, double réfraction de la lumière – dans le cadre de la théorie ondulatoire, et dans le même temps, d'asseoir cette théorie sur des bases solides. La théorie ondulatoire est adoptée en 1819 grâce à la publication du mémoire, couronné, sur la diffraction; celui-ci est le fruit de quatre années d'efforts pour rendre compte des phénomènes de diffraction de la lumière dans le cadre d'une théorie qui doit, selon Fresnel, conduire à de nombreux résultats, tout en respectant une certaine simplicité dans sa formulation. En exergue à ce mémoire, Fresnel écrit ainsi: Natura simplex et fecunda. Dès 1815, il parvient à expliquer l'existence de franges d'interférences alternativement claires et obscures, et de forme hyperbolique; en 1816, la nouvelle théorie permet de prévoir l'intensité des franges; enfin, dans le mémoire couronné paru en 1819, est formulé le fameux «principe de Fresnel» et sont balayées les dernières objections à la théorie ondulatoire formulées par des newtoniens tel Poisson. Fresnel, à la demande d'Arago, entreprend également des recherches sur le phénomène d'aberration des étoiles découvert au XVIIIe siècle. Toutes les étoiles subissent un même effet, lié à la fois au mouvement annuel de la Terre sur son orbite et au mouvement progressif de la lumière: elles semblent décrire chacune une ellipse au cours de l'année. Cet effet d'aberration, constant pour toutes les étoiles, conduit à supposer que le mouvement de la lumière issue d'une étoile quelconque est uniforme, ce qui est contraire aux conceptions de Newton pour qui les corpuscules de lumière issues d'étoiles différentes ont des vitesses différentes. Fresnel parvient à rendre compte de ce phénomène en supposant l'existence d'un éther partiellement entraîné par la Terre en mouvement. La valeur du coefficient d'entraînement sera retrouvé expérimentalement au milieu du siècle par Fizeau. Ce sera l'un des points de départ du développement qui aboutira à la relativité restreinte. Fresnel tente ensuite une interprétation du phénomène de polarisation de la lumière en proposant une autre hypothèse essentielle: celle qui affirme le caractère transversal des vibrations.