Előkelő családból származott, egyetemi tanulmányait a cambridge-i Trinity College-ban folytatta. Számos matematikai, csillagászati és fizikai értekezést írt, különösen a fénytan izgatta, e téren szerzett ismereteinek később nagy hasznát vette fotográfiai kísérletei során. 1832-ben a whig párt parlamenti képviselőjének választották, de 1836-ban visszavonult a politikától, és minden idejét a fényképezéssel kapcsolatos kutatásainak szentelte. Műkedvelő rajzolóként a sötétkamrát (camera obscura) rajzsegítő eszközként használta, ez az eszköz egy lesötétített kamrába egy lyukon át beeresztett fény révén, fordítva rajzolja ki a külvilág tükörképét a kamra hátoldalán.
Egy olaszországi nyaralása közben jutott eszébe, hogy kémiai eszközzel örökítse meg a camera obscura képét.
A 19. század elején már minden technikai és kémiai anyag rendelkezésre állt, ami a fényképezés feltalálásához szükséges volt. A technikai feltételeken kívül az emberi kíváncsiság és szándék is megvolt aziránt, hogy bemutassa és megörökítse a természetet és az embereket. A fényképezés feltalálását három személyhez kötik: a francia Joseph Nicéphore Niépce az 1820-as években készítette a világ első fényképeit a héliográfiának nevezett eljárással: legkorábbi képein fényre keményedő bitumennel bevont ónlap segítségével örökített meg egy baromfiudvart. Az ő eredményeit felhasználva dolgozta ki 1839-re az eredetileg csendéletfestő, ugyancsak francia Louis-Jacques-Mandé Daguerre az első gyakorlatilag használható fotográfiai eljárást: ezüstlemezt jódgőzzel tett fényérzékennyé, a hosszan exponált lemezt higanygőzben előhívta, majd sóval rögzítette.
Talbot a ma is használatos negatív-pozitív eljárást dolgozta ki. Thomas Wedgwood példája nyomán (aki fényérzékeny ezüstvegyületre lyukkamerával árnyképet fényképezett) 1834-ben már sikerült a napfény segítségével éles képeket készítenie levelekről, csipkékről és más bonyolult rajzolatú és formájú tárgyakról. Kidolgozta a papírra való fényképezés technikáját és a papírnegatívok számára alkalmas előhívót, képeit sóoldattal vagy nátrium-tioszulfáttal sikerült rögzítenie.
Eljárását 1841-ben szabadalmaztatta, s 1842-ben megkapta érte a Royal Society Rumford-érmét. Módszere sokban felülmúlta az őt csak hetekkel megelőző Daguerre eljárását, mivel az tükörállású volt (azaz a bal és a jobb oldal felcserélődött), míg Talbot valódi állású képet készített, s több másolatot is elő tudott állítani egy negatívról, míg a dagerrotípiát nem lehetett sokszorosítani. A dagerrotípiák lemezre készültek, ezzel a technikával nem tudtak mozgó tárgyakat fényképezni, s a portrékészítés is hosszadalmas volt, a modelleknek sokáig kellett mozdulatlanul, leszíjazva ülniük fehérre lisztezett arccal a tűző napon. A Talbot által „fényrajzolatoknak” nevezett művek papírra készültek, s a papírképek felvették a versenyt a dagerrotípiákkal. Talbot a módosított negatív eljárását kalotípiának nevezte el, a görög kalos (gyönyörű, illetve szép) és a kép szavak nyomán.
A kötetben 24 egyenként beragasztott kalotípiát mutatott be – camera obscurával készült épületfotók, csendéletek és zsánerképek, illetve műtárgyakat ábrázoló képek szerepeltek benne.
Talbot felismerte, hogy a kromátokkal kezelt enyv megvilágításkor oldhatatlanná válik, ezért fotokémiai védőrétegként krómzselatint használt az acéllemez maratásánál, megteremtve a hengermélynyomás és az autotípia, a képsokszorosítás alapjait. Az általa 1852-ben kifejlesztett féltónusos marás lényege, hogy nem az egész felületet, csak a raszterpontokat maratják, ezzel lehetővé vált a fényképek reprodukálása az újságnyomtatásban is. 1851-ben rájött, hogyan készíthet pillanatfelvételeket. 1852-ben és 1858-ban szabadalmaztatott „fotolifikus metszési eljárása” során muszlinszitával és nyomdai acéllemezzel állította elő a képek tónusait, ezzel a későbbi, árnyalatos lemezeket előállító módszer előfutára lett.
A sokoldalú Talbot érdeklődött a régészet iránt is, az 1850-es években az elsők között fejtette meg a Ninive romjai közül kiásott ékírásos táblákat. William Henry Fox Talbot 1877. szeptember 17-én halt meg Lacock Abbey-ben.
