Родился в семье немецкого аптекаря.
Изучал медицину в Тюбингене, Мюнхене и Париже. В 1840 в качестве судового врача совершил путешествие на остров Яву. В процессе лечения матросов кровопусканием, он обратил внимание на то, что венозная кровь была светлее, чем обычно в северных широтах, и приближалась по яркости к артериальной(«кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию»). В этот момент он предположил, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме».(Говоря простым языком, по разнице в цвете крови, можно понять, сколько кислорода потребил(сжёг) организм). Благополучно прибыв в родной Хайльбронн, Майер опубликовал свою работу «Замечания о силах неживой природы» в журнале «Анналы химии и фармации» в 1842 году. В ней он указал на эквивалентность затрачиваемой работы и производимого тепла и тем обосновал первый закон термодинамики; он же впервые рассчитал, исходя из теоретических оснований, механический эквивалент тепла. Работа эта долго оставалась незамеченной, и лишь в 1862 году Клаузиус и Тиндаль обратили внимание на это исследование Майера и на дальнейшие его работы: «Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhang mit den Stoffwechsel» (Хайльбронн, 1848), «Beträge zur Dynamik des Himmels» (там же), «Bemerkungen über d. mechanischen Aequivalent der Wärme» (там же 1851), полные местами не вполне точных, но весьма остроумных примеров и идей, касающихся закона сохранения энергии в неодушевленной и одушевленной природе.
Работы Майера собраны в его «Naturwissenschaftliche Vorträge» (Штутгарт, 1871) и «Mechanic der Wärme» (Штутгарт, 1 изд., 1867; 2 изд., 1874).
Оценка заслуг Майера в создании механической теории тепла вызвала в свое время ожесточенную полемику между Клаузиусом, Тиндалем, Джоулем и Дюрингом (см. весьма пристрастное сочинение Дюринга «Robert M. der Galilei des XIX Jahrhunderts» (Хемниц, 1879), а также Клаузиус, «Wärmetheorie» I; Тиндаль, «Теплота, рассматриваемая как род движения».