Milne-Edwards studierte Medizin in Paris, promovierte 1823, schrieb viele theoretisch-medizinische Abhandlungen, ohne jedoch als Arzt zu praktizieren, darunter eine vielbeachtete Untersuchung über den Einfluß des Nervensystems auf die Verdauung. Er beschäftigte sich auch mit der Anatomie der wirbellosen Tiere, z. B. der Crustazeen, und schrieb ein zweibändiges Werk über die Küstenfauna Frankreichs. Besonders interessierte ihn schon damals die ontogenetische Entwicklung der Organe und ihrer Funktion. 

Als Professor am Lyceum Henri IV veröffentlichte er 1838 sein wohl wichtigstes Werk über Anatomie, Physiologie und vergleichende Zoologie, auf dem auch seine späteren Studien der Polypen (Coelenterata) aufbauen. 1843 vollendete er sein großes Lehrbuch "Élements de zoologie". Kennzeichnend für ihn ist eine ganzheitliche Betrachtungsweise, stets interessierte er sich gleichzeitig für Entwicklung, endgültige Form und Funktion jedes Organes. Er war der erste Zoologe, der seine Forschungen an Meerestieren im Taucheranzug und im Meer selbst betrieb. Sein größtes, vierzehnbändiges Werk "Lecons sur l'anatomie et la physiologie des animaux" wurde 1881 fertig. 

Wie viele vergleichende Anatomen aus dem Einflußbereich Cuviers war er ein Gegner der Abstammungslehre. 1849 wurde er Dekan der naturwissenschaftlichen Fakultät der Sorbonne und hatte dieses Amt bis zu seinem Tode (1885) inne.