Diderot studerte ved universitetSorbonne i Paris, men var også opptatt av det frie livet i Paris. Han fikk penger hjemmefra og hadde noen mindre inntekter fra ulike aktiviteter. I 1741 møtte han Anne-Antoinette Champion (1710–1796), som var datter av en syerske. De forelsket seg og han lovet å gifte seg med henne. Ettersom Diderot ikke fikk farens tillatelse, giftet de seg i hemmelighet. De fikk fire barn hvorav kun den yngste datteren, Marie-Angélique, nådde voksen alder. Det var ikke et lykkelig ekteskap, men Diderot oppfylte sine forpliktelser som familieforsørger. Han var veldig glad i datteren og tok seg av hennes utdannelse.

Diderot vokste opp somkatolikk, men ble etter hvertateist ogmaterialist, en tro og naturoppfattelse som myndighetene anså som farlig og samfunnsnedbrytende. Han uttrykte disse holdningene skriftlig. Det brakte ham i myndighetenes søkelys, og han ble fengslet i tre måneder i Château de Vincennes i 1749 uten anklage eller dom. Her fikk han raskt mildnet sine forhold og ble besøkt av vennenJean-Jacques Rousseau, sin kone og datter. Han hadde tilgang til å lese og skrive, men fengslingen var så traumatiserende for ham at han ble svært forsiktig med hva han skrev i etterkant. Det er derfor mange av dem som først ble kjent etter hans død.

Diderot foretok bare én utenlandsreise. Etter invitasjon fra keiserinneKatarina den store avRussland, reiste han i 1773–1774 tilSt. Petersburg. Han var en av Katarina den storesprotesjéer. Da han i 1761 vurderte å selge sitt bibliotek for å kunne forsørge familien, grep hun inn og kjøpte det, men lot det bli hos Diderot. Dessuten ansatte hun ham som bibliotekar og ga ham et livslangt honorar. Han kjøpte også inn malerier for henne.

Reisen både til og fra St. Petersburg gikk viaHaag. Reisen fra Haag til St. Petersburg var strabasiøs og varte nesten to måneder. Han ble syk underveis, noe som fortsatte under oppholdet, og han vendte svekket tilbake til Paris i oktober 1774.

Etter reisen fra St. Petersburg levde Diderot et stadig mer tilbaketrukket liv. Han ordnet tekstene sine i et samarbeid med vennen og billedkunstneren Jacques-André Naigeon (1738–1810). Tekstene ble kopiert i tre eksemplarer: ett til ham selv, ett til datteren og ett til Katarina den store.

Diderot døde i Paris 31. juli 1784 og ble gravlagt i Église Saint-Roch. I juni 1786 ble biblioteket og arkivene hans sendt til St. Petersburg. Datteren hans utga de verkene hun mente kunne publiseres etter hans død. Dette betydde at mange først ble publisert flere år senere.

Ved hjelp av en latinsk-engelsk ordbok lærte Diderot seg engelsk, og i 1743 begynte han å oversette verk fra engelsk til fransk. Hans første oversettelse varThe Grecian history av Temple Stanyan (1675–1752). I 1745 fulgte oversettelsen avlord ShaftesburysAn inquiry concerning virtueor merit. Arbeidet med denne teksten utfordret hans egen kristne tro og skjøv ham mer i retningen avdeismen.

Den største oversettelsesoppgaven gjennomførte han i årene 1746–1748, da han i samarbeid med to andre, oversatte Robert James'Medicinal Dictionary, som hadde blitt utgitt få år tidligere. Oversettelsene var en viktig inntektskilde for Diderot.

Det var fra oversettelsen og bearbeidelsen avEphraim Chambers'Cyclopædia han fikk ideen til sitt store prosjekt:Den store franske encyklopedi. Utgivelsen begynte i 1751.

Diderot ledet prosjektet, skaffet forfattere, redigerte, skrev mange av artiklene, overvåket produksjonen og forhandlet med myndighetene. Han skrev om alt fra filosofiens historie til tekniske fag. I verket samlet han også århundrets radikale kritikk mot tradisjonen. Encyklopedien ble forbudt i 1752 og 1759, men Diderot fortsatte allikevel å utgi verket tross mange farer og vanskeligheter, og til tross for at hans berømte medarbeiderJean Le Rond d' Alembert trakk seg fra prosjektet i 1759. Encyklopediens tekst var ferdig i 1765 og bestod da av 17 bind. I perioden 1765–1772 ble Encyklopedien utvidet med 11 nye bind medplansjer som detaljert beskriver samtidens mange håndverk.

Encyklopedien ga en oversikt over og innsikt i hvor man sto åndelig, vitenskapelig og produksjonsmessig på midten av 1700-tallet.

Diderot begynte å skrive kunstanmeldelser tilCorrespondance littéraire, philosophique et critique etter atFriedrich Melchior Grimm overtok ansvaret i 1753. Det var et hemmelig, håndskrevet tidsskrift forEuropas øverstearistokrati.

I Paris på den tiden var det hvert år en stor og offisiell kunstutstilling kalt «Salon de Paris» hvor de nyeste kunstverkene ble utstilt. I perioden 1759–1781 anmeldte Diderot ni av disse utstillingene. Leserne hadde ikke sett bildene, så han måtte både beskrive dem og anmelde dem. Diderot var detaljert, følsom og kritisk. Anmeldelsene anses for å være inspirasjonen til den modernekunstkritikken, fordi han skilte mellom beskrivelse,tolkning ogestetikk.

Diderot var svært glad iteater, men var kritisk både til formen ogskuespillerne. Han anså samtidens teater for å være for påtatt og oppstilt. Han etterspurte mer følelser og historier som berørte publikum, og som de kunne kjenne seg igjen i. Han fastsatte rammen for den nye sjangerendet borgerlige dramaet og skrev selv et par teaterstykker i sjangeren:Le fils naturel (‘Den illegitime sønnen’) fra 1757 ogLe Pére de famille (‘Familiefaren’) fra 1758.

Diderot hadde sterke meninger om hva godt skuespill er. Disse meningene samlet han iParadoxe sur le comédien (‘Skuespillerens paradoks’), utgittposthumt i 1830. Paradokset hviler på en teoretisk tilnærming, hvor den gode skuespilleren ikke prøver å identifisere seg med sinkarakter, men studerer og forestiller seg en «idealmodell». Diderot mente at i løpet av framføringen skal skuespilleren distansere seg fra seg selv og kopiere sin modell uten følsomhet. Hvis følsomheten ikke kan holdes nede, vil det føre til en middelmådigprestasjon.

I 1748 skrev Diderot en halv-erotisk fortelling,Les Bijoux indiscrets (‘De skamløse leppene’), en roman i en lett sjanger som var på moten. Det fulgte han opp medLa Religieuse (‘Nonnen’), etantiklerikalt verk som hyller friheten til å velge sin egen skjebne. Den ble utgitt somføljetong i årene 1780–1782 og utgitt samlet posthumt i 1796.

Et av Diderots mest kjente skjønnlitterære verk erJacques le Fataliste et son maître(‘Fatalisten Jacques og hans herre’), også utgitt i 1796, som er en filosofisk dialog mellom Jacques og hans mester. Teksten er kompleks og tidvis forvirrende, fordi den blander sjangere og leker med fiksjonens virkemidler.

Et annet kjent verk erLe Neveu de Rameau (‘Rameaus nevø’), som ble utgitt første gang i en oversettelse avJohann Wolfgang von Goethe i 1805. Det er en kritisk og samfunnssatirisk dialog hvor denkyniske,amoralske tittelpersonen gjør opprør ved å utfordre den rettsindige filosofen, og det skapes dermed en dialog ommoral.

Ved siden av disse verkene skrev Diderot også om filosofiske emner.Lettres sur les aveugles à l’usage de ceux qui voient, (‘Brev om de blinde til bruk for dem som kan se’), som kom ut i 1749, viste hansmaterialistiske holdninger. Dette ble ansett som farlig for samfunnsordenen, og han ble arrestert. Diderot kommenterte også andres skrifter. Eksempler på dette er:Suite de l’Apologie de M. l’abbé de Prades (‘Fortsettelse av forsvaret av abbeden av Prades’) fra 1752 ogSupplément au Voyage de Bougainville (‘Tillegg til Bougainvilles reise’), utgitt posthumt i 1796.

Diderot sluttet seg til de materialistiske ogdeterministiske strømningene i tiden. Han skrev ikke egentlige filosofiske verker, men brukte dialogformen og skrev i brevform for å beskrive sine tanker. I dialogenLe Rêve de d'Alembert fra 1769 (‘D'Alemberts drøm’) gikk han inn på sinvisjon for livets tilblivelse, sammenhengen i naturen, oppfattelsen avseksualiteten og av de moralske problemene som oppstår med en forestilling om at alt er forutbestemt.

Hansdialektiske, dialogbaserte tilgang til fundamentale spørsmål gjør at det er mer nærliggende å kalle ham entenker enn enfilosof. En rekke sentrale spørsmål opptok Diderot, inkludert sammenhengen mellom moral og en verden uten Gud, forholdet mellom kjærlighet og seksualitet, menneskets natur og forståelsen av kunst.

Diderot hadde også en omfattendebrevkorrespondanse. Den mest kjente var med Sophie Volland (1716–1784), som han i mange år var nær venn med. De ble kjent i 1755 og korresponderte jevnlig i tiden etter. Man vet at Diderot sendte 553 brev til henne ettersom han har nummerert dem. Av disse er 187 bevart, mens ingen av Sophies brev eksisterer i dag. Brevene gir innsikt i Diderots daglige liv, hans tanker om kunst,politikk og tidens diskusjoner. Diderot brukte også Volland som rådgiver. Han brevvekslet også jevnlig medbilledhuggerenÉtienne Maurice Falconet, og de diskuterte særlig kunstens og kunstnerens udødelighet.

Under oppholdet hosKatarina den store i St. Petersburg skrev Diderot 65essayer. Dette var forberedelser til de ukentlige diskusjonene han hadde med Katarina. Hans korrespondanse med andre viser bredden av emnene de snakket om. Det var temaer som fri konkurranse,lovgivning, utdanning,akademier, arvefølgen og litteratur.