Дж. Б. С. Холдейн, сын известного физиолога Джона Скотта Холдейна и Луизы Кэтлин Холдейн (Троттер в девичестве), был потомком старого шотландского аристократического рода. Многие выходцы из семьи Холдейнов занимали видное положение в британской политике, науке и культуре. В частности, дядя генетика Ричард Холдейн некоторое время был военным секретарём в британском кабинете, а его младшая сестра Наоми Митчисон и тётя Элизабет Холдейн стали писательницами.
Ещё в восьмилетнем возрасте Дж. Б. С. Холдейн приобщился к научным исследованиям в качестве ассистента отца. На протяжении шести лет учился в Дрэгон-скул (колледж Итон). В 1911 поступил в Нью-Колледж при Оксфордском университете, который окончил в 1914. В январе 1915 отправлен на фронт, до конца Первой мировой войны сражался в качестве артиллерийского офицера во Франции и Ираке. За энтузиазм и активность он был прозван в своих войсках «Бомбо». В армии Холдейн проникся социалистическими убеждениями; в частности, в это время он писал: «Если при жизни я увижу Англию, в которой социализм сделает профессию бакалейщика такой же почётной, как и солдата, я умру счастливым». В январе 1919 Холдейн был демобилизован из армии и вернулся в Британию.
После войны был аспирантом в Нью-Колледже (1919—1922), а затем преподавал в Кембриджском университете (1922—1932), Калифорнийском университете в Беркли (1932) и Лондонском университете (1933—1957). В колледже Лондонского университета он также заведовал кафедрой генетики и биометрии. В 1952 Холдейн был награждён Дарвиновской медалью Королевского научного общества, в 1956 — медалью имени Хаксли Королевского антропологического института. Несмотря на оказываемые ему почести, Холдейн не мог смириться с политикой британского руководства и в качестве протеста против Суэцкой войны 1956 решил выехать из страны. В 1957 Холдейн по приглашению Прасанты Чандры Махаланобиса и Джавахарлала Неру перебрался в Индию, где принял индийское гражданство и до 1961 руководил лабораторией генетики и биометрии в Калькутте, после чего возглавил аналогичную государственную лабораторию в штате Орисса.
Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн умер 1 декабря 1964, завещав своё тело медицинскому колледжу Рангарайя в Какинаде для опытов. В 1977 к востоку от города Тируванантапурам на юге Индии был учреждён Международный мемориальный научно-исследовательский центр имени Дж. Б. С. Холдейна. В 1990 под редакцией Кришны Р. Дронамрайю, бывшего сотрудника Холдейна, были изданы избранные труды учёного по генетике (Selected Genetic Papers of J.B.S. Haldane).
С 1930-ых Холдейн активно выступал как марксист по политическим и философским убеждениям, что нашло своё отражение в его трудах по философским аспектам естествознания и философии науки вообще («Марксистская философия и науки», 1938). Он также сотрудничал в «Дейли Уоркер» (The Daily Worker), регулярно писал туда статьи и на протяжении нескольких лет возглавлял редакционную коллегию. Кроме того, всемирно известный генетик подготовил первое издание фундаментального труда Фридриха Энгельса «Диалектика природы» на английском языке (1939), написав к нему предисловие и примечания.
В 1937 Холдейн вступил в Компартию Великобритании, в 1942—1943 входил в состав Политбюро КПВ, в 1943—1945 — в состав политического комитета Исполкома партии. Поддерживая социалистические преобразования в СССР (с 1942 он был иностранным почётным членом Академии наук СССР), он вместе с тем охладел по отношению к советскому руководству, особенно после разгрома советской генетической науки и политических процессов против его коллег, инициированных Трофимом Лысенко. В 1950 он приостановил своё членство в Компартии вскоре после того, как выдвигался от неё в парламент.
Дж. Б. С. Холдейн, наряду с рядом других учёных из Великобритании, США, СССР (в первую очередь, следует отметить Сергея Сергеевича Четверикова, Роланда Эймлера Фишера, Сьюалла Райта), сумел связать дарвиновскую теорию эволюции и учение Грегора Менделя о наследственности, основываясь на математических и статистических доказательствах, почерпнутых из анализа количественных и качественных (уровня, размеров, воспроизведения и т.д.) показателей мутаций. Это позволило ему разработать математическую теорию моделирования гена и сцепления наследственных факторов.
Исследовал количественную сторону естественного и искусственного отбора, благодаря чему показал, что элементарная единица эволюционного процесса — популяция, а не отдельная особь («Факторы эволюции», 1932). Определил частоту мутирования генов у человека (1935), ввёл в науке понятие «генетического груза» (1937). Выступил против использования ядерного оружия, вычислив повышение вероятности возникновения мутаций в человеческой популяции вследствие радиоактивного облучения, вызванного взрывом атомной бомбы (1947).
Холдейн также сделал существенный вклад в теорию действия энзимов («Энзимы», 1930), математически обосновав теорию кинетики ферментативного катализа, а также в исследование физиологии человека. Аналитические способности Холдейна в сочетании с широтой его знаний, литературным дарованием и силой личности позволили ему совершить целый ряд важных открытий в разнообразных отраслях биологической науки и воспитать целое поколение выдающихся исследователей.
Дж. Б. С. Холдейн — автор целого ряда основополагающих пионерских работ по генетическим основам эволюции и мутагенезу, связанных с ними проблемам биохимии, биометрии и математической статистики, а также трудов, посвящённых научному прогрессу и месту науки в современном обществе. Холдейн прославился как блестящий популяризатор, сочетавший научность и доступность изложения; его имя называют в одном ряду с Айзеком Азимовым и Ричардом Докинсом.
К основным трудам Холдейна принадлежат: