Nacido en Santiago de Chile, cursó estudios de medicina en la Universidad Católica (1964-1966) y de biología en la Universidad de Chile (1967), donde fue discípulo de Humberto Maturana. Se doctoró en biología en la universidad norteamericana de Harvard con la tesis Insect retinas: Information processing in the compound eye (1970). En Chile trabajó junto a Maturana en la formulación teórica que aquel hace de la 'autopoiesis' relativa a la naturaleza subsistente de lo vio, recogida inicialmente en el libro De Máquinas y Seres Vivos: Una teoría sobre la organización biológica (1973) y desarrollada, posteriormente, en El árbol del conocimiento (1985). Su vida académica y científica conoció diversos escenarios americanos y europeos. Profesor de la Universidad de Nueva York (1973-1980), investigador del Instituto Max Planck alemán (1985) y director de investigaciones del Centre National de Recherche Scientifique (CNRS) de Francia (1988), país donde también fue director del Laboratorio de Neurociencias Cognitivas e Imágenes Cerebrales (LENA) del hospital universitario de Salpêtrière y profesor de la École Polytechnique de París.
En español y portugués, los libros de Varela, que han sido editados en numerosas lenguas, son: Los ojos de los insectos, Alhambra, Madrid, 1974; De máquinas y seres vivos: Una teoría sobre la organización biológica (con Humberto Maturana), Ed.Universitaria, Santiago, 1973; De maquinas e seres vivos (con Humberto Maturana), Intermedica, S. Paulo, 1997; El árbol del conocimiento: Las bases biológicas del entendimiento humano (con Humberto Maturana), Ed. Universitaria, Santiago, 1985 [Editorial Debate, Madrid, 1988]; A arbore do conhecimiento (con Humberto Maturana), Editorial Psy, S. Paulo, Brasil, 1995; Conocer: las ciencias cognitivas, Grijalbo, Barcelona, 1990; Conhecer, Instituto Piaget, Lisboa, 1990; De cuerpo presente: Las ciencias cognitivas y la experiencia humana (con otros), Gedisa, Barcelona, 1992; Etica y acción, Editorial Dolmen, Santiago, Chile, 1996; Sobre a competencia etica, Ediçòes 70, Lisboa, 1996.

Figura relevante en el campo de la neurociencia cognitiva, abrió vías exploratorias a través de lo que denominó la neurofenomenología, donde se advierte la influencia de Maurice Merleau-Ponty. Estudió junto con su maestro y compatriota Humberto Maturana las bases biológicas del conocimiento y de la conciencia, así como la relación sincrónica entre la actividad neuronal del cerebro, la percepción y la conciencia. Introduce el término de autopoiesis en la biología, término que refiere la autonomía de los seres vivos en la generación de soluciones específicas para su propia realidad y circunstancias. Esta dimensión del análisis biológico, inserta en una concepción sistémica, tuvo proyecciones muy amplias en el mundo de las ciencias cognitivas, en la sociología y la idea de las segmentaciones autorreferentes de Niklas Luhmann, en la ciencia política, en la psicología, etcétera.
Varela analiza los procesos de captación de información y los mecanismos de procesamiento cerebral, dando un salto cualitativo en los estudios sobre la teoría de la información, al desplazar la matriz física del análisis hacia el campo de la biología. Es, también, un acercamiento a la persona y las peculiaridades cerebrales de la recepción, marcadas por la autonomía –las ‘interpretaciones’ personales- del sistema nervioso. La física, señala Varela, no provee de herramientas, metáforas y contextos necesarios para comprender el funcionamiento de una célula, un sistema nervioso o de un sistema social. Se abren aquí nuevas perspectivas científicas sobre la percepción y la objetividad, así como de las interacciones, en el campo de la comunicación en sociedad, que describen los consensos acerca de las sensaciones de la realidad, en la que el observador forma parte del mundo observado. El mundo es como nos parece, porque en ello coinciden las percepciones múltiples de quienes forman agregaciones de observación presentes e históricas. El sistema nervioso ordena y regula la imagen de la realidad, que no es caprichosa, sino que está relacionada con el ambiente de quien percibe y procesa.