Nacido en Santiago, Chile, estudió medicina y biología en la Universidad de Chile, que amplió en el campo de la anatomía y neurofisiología en el University College de Londres con una beca de la Fundación Rockefeller. Se doctoró en biología por la Universidad de Harvard (1958), con una tesis sobre la estructura del nervio óptico en la rana -The fine structure of the optic nerve and tectum of Anurans. An electron microscope study-, y prolongó sus trabajos sobre anatomía y neurofisiología de la visión animal en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, junto a Jerome Lettvin. A raíz de dicha investigación, ambos fueron postulados como candidatos al Premio Nobel de Medicina y Fisiología. En 1960 regresa a su país como docente de biología en la Universidad de Chile, al tiempo que investiga en los sistemas biológico perceptivos de distintos animales y el procesamiento de la información en el cerebro. La biología y la neurofisiología de los procesos cognitivos. En 1965, crea el Instituto de Ciencias y la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile. Junto con un antiguo alumno y discípulo, el también chileno Francisco Varela, publica De máquinas y seres vivos (1972) y El árbol del conocimiento (1984), en los que dan a conocer el concepto de 'autopoiesis' aplicado a los seres vivos. En Santiago crea el Laboratorio de Epistemología Experimental, destruido en 2006 por un incendio. En 2000, funda, junto a Ximena Dávila Yáñez el Instituto de Formación Matríztica, dedicado al análisis de la dinámica de la Matriz Biológica de la Existencia Humana. Es doctor 'honoris causa' por la universidades Libre de Bruselas (Bélgica), Santiago (Chile) y Málaga (España).
Autor, entre otros, de los libros De máquinas y seres vivos, con Francisco Varela (1972), Autopoiesis and cognition (1980), El árbol del conocimiento, con Francisco Varela (1984), Emociones y lenguaje en educación y política (1990), El sentido de lo humano (1991), Desde la biología a la psicología (1993), La realidad, ¿objetiva o construida?, 2 vols. (1996), La objetividad, un argumento para obligar (1997), Transformación en la convivencia (1999), From Being to Doing. The Origins of the Biology of Cognition, con Bernhard Poerksen (2004), The Origins of Humanness in the Biology of Love, con Gerda Verden-Zoller (2009).

Desarrolla en el campo de la biología el concepto de la 'autopoiesis', siguiendo los trazos de Bateson y Wittgenstein, entre otros. La realidad es una construcción consensuada por una comunidad, donde se produce una apariencia de objetividad. Reemplaza el concepto filosófico de objetividad por la idea de construcción social. Su 'biología del conocimiento' se sitúa en la corriente del relativismo epistemológico y del constructivismo radical, emparentado por ello con los planteamientos de Heinz von Foerster, de los que se distancia a comienzos ya del siglo XXI. No es menos importante su relación con Gotthard Günther.
La realidad de los seres vivos está en la biología, como la percepción y la construcción de la realidad. Maturana describe una biofilosofía determinista que, a partir del concepto de 'autopoiesis', descubre sistemas de vida autorreferentes, dotados de autonomía para la supervivencia y la reproducción que actúa de forma distinta según las circunstancias ambientales, lo que le permite inferencias en el campo de los sistemas sociales, la educación, la comunicación (véase Niklas Luhmann, p. ej.), etcétera.
A partir de sus numerosos trabajos en la anatomía y fisiología de la visión animal, advierte el relativismo de la recepción al constatar “que es el vivir del animal lo que determina cómo y qué ve éste” y que, consiguientemente, existe una “congruencia operacional de un organismo con su circunstancia”, resultado de los “cambios estructurales coherentes entre organismo y medio que han surgido de la historia evolutiva a que éste pertenece”.
Para Maturana y su trazado sistémico, los seres vivos están sujetos a una dinámica estructural interna, que distingue a las especies y a los individuos, descrita por su autonomía o 'autopoiesis', pero también por la dinámica comunicativa o relacional que permite el consenso vital de las diferentes formas de vida.
Maturana se acerca a los conceptos de lo que comúnmente se entiende por realidad virtual, construcciones que dejan de serlo en la medida que la dinámica del sistema nervioso las integra como nuevos elementos ambientales y relacionales.