Boltzmann promovierte 1866 an der Universität Wien und wurde ein Jahr darauf Assistent am dortigen Physikalischen Institut. 1869 erhielt Boltzmann eine Professur für theoretische Physik an der Universität Graz. 1873 folgte er dem Ruf an die Wiener Universität, wo er einen Lehrstuhl für Mathematik erhielt. 1876 heiratete er in Graz Henriette Edle von Aigenthier, Tochter des Staatsbeamten Hugo Edler von Aigenthier. Sie war die erste Studentin, die an der Grazer Universität immatrikuliert worden war. Im selben Jahr wurde Boltzmann Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Graz. Ab 1889 lehrte er in München, ging 1894 wieder nach Wien zurück und kam 1900 nach Leipzig. Ab 1902 hatte er erneut in Wien einen Lehrstuhl für theoretische Physik. Er bestätigte durch seine Forschungen die umstrittene Maxwellsche Elektrodynamik und begründete 1884 das Gesetz über die Gesamtstrahlung des schwarzen Körpers (Stefan-Boltzmannsches Gesetz). Boltzmann war Mitglied mehrerer nationaler und internationaler Akademien der Wissenschaften und wissenschaftlicher Gesellschaften. Die Universität Oxford verlieh ihm die Ehrendoktorwürde. Boltzmann gilt durch seine Begriffsbildung als einer der Wegbereiter der Quantentheorie, die von Max Planck (1858–1947) begründet wurde. Boltzmann, der 1906 den Freitod wählte, erhielt ein Ehrengrab auf dem Wiener Zentralfriedhof.