Très doué pour les mathématiques, dès 1739 il adressa à l'Académie des sciences des observations sur l'Analyse démontrée du
P. Reyneau, puis l'année suivante un mémoire sur la réfraction des corps solides. Nommé adjoint dans la section d'astronomie (1741), associé géomètre (1746) puis pensionnaire surnuméraire (1756), il ne fut titulaire qu'en 1765. Mais il lui aura fallu moins de dix ans pour donner l'essentiel de son œuvre scientifique principalement centrée sur la mécanique: l'Equation de d'Alembert en physique ; le Principe de D'Alembert en mécanique analytique; la Règle de d'Alembert, en analyse des séries, etc.
Brillant causeur, auréolé de sa réputation de savant, fréquentant les grands salons de l’époque, il se fit aussi une réputation en participant à la rédaction de l’Encyclopédie aux côtés de Diderot. Bien que chargé de la partie mathématique, il écrivit de nombreux articles sur différents sujets et s’occupa presque seul du second volume. On lui doit, entre autres, son Discours préliminaire souvent considéré comme sa meilleure œuvre.
De ses études aux Quatre-Nations, où l’on avait voulu en faire un Pascal anti-jésuite, il était sorti révolté contre ces polémiques religieuses. Détourné à jamais de la métaphysique et de la religion, certains de ses écrits dans l’Encyclopédie provoquèrent de beaux scandales et en retardèrent la publication au grand dam de Diderot. D'Alembert, lui, recommandait ses ennemis à la plume de Voltaire dont il était un ami proche et fidèle.
Membre de l’Académie française depuis 1754, il en devint le maître et l’arbitre des questions littéraires, même si sa tentative d’imposer des normes pour la poésie fut violemment rejetée par la public.
Prenant une part plus active dans la lutte philosophique, égratignant plus sévèrement les jansénistes que les jésuites récemment supprimés en France, d’Alembert était devenu profondément athée.
Pendant ses dernières années, il fut un mécène pour les jeunes littéraires qu’il aidait dans leur carrière. Le plus illustre d’entre eux, Condorcet, le veilla alors qu’il se mourrait de la maladie de la pierre dans son appartement de fonction au Palais du Louvre. Il refusa de recevoir le curé de St-Germain-l’Auxerrois. Et pourtant, le testament du défunt commençait par « Au nom du Père… ».
A cet incrédule, l'archevêque de Paris refusa la cérémonie religieuse, mais autorisa l'inhumation dans une fosse commune du cimetière de la paroisse, « sans cortège et sans bruit ».
A la date de son décès, la paroisse St-Germain-l'Auxerrois partageait le cimetière des Porcherons avec la paroisse St-Eustache depuis 1781. Sans tombe identifiable, personne ne saurait affirmer si les restes du philosophe sont aux Catacombes ou encore sous la rue du Faubourg-Montmartre.