Lichtenstein studierte in Jena und Helmstedt und promovierte 1802 im Fachgebiet Medizin. Von 1804 bis 1806 war er Hausarzt eines holländischen Generals in der Kapkolonie. Dort beschäftigte sich Lichtenstein mit der Zoologie. Er unternahm zahlreiche naturwissenschaftliche Reisen. Nachdem England die Kolonie am Kap erobert hatte, kehrte Lichtenstein nach Deutschland zurück. Er lebte in Braunschweig, Göttingen und Jena, wo er seine naturwissenschaftlich bedeutsame Reisebeschreibung „Reisen im südlichen Afrika" verfasste und die große entomologische Sammlung des Grafen von Hofmannsegg († 1849) präparierte und ordnete. Als die Berliner Universität eröffnet worden war, begann Lichtenstein dort Vorlesungen über Naturgeschichte zu halten und wurde 1811 zum Professor und zum Mitglied der Akademie der Wissenschaften berufen. Auf Hoffmannseggs Anregung und nach den Plänen Lichtensteins wurde 1810 das Zoologische Museum an der Berliner Universität gegründet. Nach dem Tod des ersten Direktors Illiger (1755-1813) übernahm Lichtenstein 1813 dieses Amt. Lichtenstein widmete sich von da an verstärkt der Zoologie und wurde zum ersten Zoologen Berlins, zum "Obersten der Tiere". Friedrich Wilhelm III. zog ihn als Ratgeber für die Tiere seiner Menagerie auf der Pfaueninsel heran. Eine tiefe Freundschaft verband ihn mit Alexander von Humboldt. Gemeinsam entwickelten sie schon 1832 die Idee, für Berlin etwas ähnliches zu schaffen wie die Tierabteilung des "Jardin des Plantes" in Paris. Gemeinsam mit Lenné verwirklichte Lichtenstein nach dem Tod Friedrich Wilhelms III. seinen Plan. 1840 verfasste er eine Denkschrift "Gedanken über die Errichtung Zoologischer Gärten bei Berlin" und erhielt 1841 die Zusage des Königs. Von 1841 bis 1844 dauerte die Einrichtung des Zoologischen Gartens in Berlin. Am 1.8.1844 eröffnete Lichtenstein ihn als erster Direktor. Er starb während einer Reise auf einem Schiff auf der Ostsee zwischen Korsør und Kiel.