In Göttingen, wo er 1811 das Studium der Mathematik begann, wurde Encke durch Gauss der Astronomie zugeführt. Nach Abschluß des durch kriegerische Einsätze (1813-15) mehrfach unterbrochenen Studiums begann er seine astronomische Laufbahn 1816 als Beobachter an der Sternwarte auf dem Seeberg bei Gotha. Seine bedeutendste Leistung aus dieser Zeit ist der Nachweis der Periodizität des Kometen, der heute seinen Namen trägt (1818). 

1825 nach Berlin als Direktor der Sternwarte und Astronom der Akademie der Wissenschaften berufen, richtete er, unterstützt von Alexander von Humboldt, die 1832-35 nach den Plänen von Schinkel gebaute neue Sternwarte ein, an der Assistenten und Schüler eine umfangreiche Tätigkeit entfalteten.

Enckes Hauptverdienste liegen auf dem Gebiet der rechnenden Astronomie und der Organisation. Ihm ist das Zustandekommen der Akademischen Sternkarte zu verdanken, die es dem Observator Galle an der Sternwarte ermöglichte, den Planeten Neptun an dem von Leverier theoretisch vorausgesagten Ort zu entdecken. Von 1830-1866 hat Encke das Berliner Astronomische Jahrbuch herausgegeben, in dem regelmäßig die Elemente und Ephemeriden der in der Rechenabteilung der Sternwarte bearbeiteten Kleinen Planeten veröffentlicht wurden. Die Berliner Sternwarte war ein Zentrum der Astronomie.