Son père est typographe. À partir de 1849, il reçoit une formation de lithographe pendant trois ans avant de travailler comme ouvrier dans une entreprise spécialisée dans les images religieuses. Il s'inscrit aux cours du soir de l'École nationale de dessin, où son maître Horace Lecoq de Boisbaudran lui apprend l'esquisse de mémoire et le dessin de mouvement.

Après un voyage à Londres en 1854, il réalise en 1858 une affiche très remarquée pour une opérette d'Offenbach, Orphée aux enfers. L'année suivante, il retourne à Londres, où il admire les œuvres de Turner et Constable. Il rencontre également le parfumeur Eugène Rimmel, qui devient son ami et mécène et pour lequel il exécute des étiquettes et des décors floraux.

En 1866, Jules Chéret ouvre son premier atelier de lithographie à Paris, où il réalise des centaines d'affiches. En 1881, il cède son imprimerie à la maison Chaix, dont il devient le directeur artistique.

L'année 1889 est marquée par sa première exposition personnelle d'affiches, pastels, gouaches au théâtre de la Potinière à Paris. Il obtient la médaille d'or à l'Exposition universelle. En 1890, nommé chevalier de la légion d'honneur, il débute son activité de peintre. Il rencontre également le collectionneur Joseph Vitta, qui devient son mécène et auquel il cède ses tableaux.

En 1895, il entame son œuvre décoratif par l'exécution de décors monumentaux dans des demeures privées et des bâtiments publics : à Évian, la villa la Sapinière appartenant au baron Vitta ; à Paris, le salon de l'hôtel de ville (1896-1903) et le rideau du théâtre du musée Grévin ; à Neuilly-sur-Seine, les décors de l'hôtel particulier de Maurice Fenaille (1901) ; à Nice, la salle de fêtes de la préfecture (1906).

En 1925, atteint de cécité, il cesse de peindre. Il meurt en 1932 dans sa villa Foréal sur le Mont Boron à Nice.