Nato in una famiglia contadina nel Regno di Sassonia, fu notato da un insegnante per il suo talento nel disegno e avviato al mestiere di litografo. Negli anni '40 del XIX secolo viaggiò per la Germania ed arrivò a Copenhagen, dove abitò per tre anni. Nel decennio successivo si trasferì in Italia, abitando brevemente a Roma. Spostatosi a Venezia, nel 1852 si convertì alla religione cattolica e sposò Marianna Gambin. Come litografo, entrò in contatto con Benjamin Valz e Lorenzo Respighi, direttori degli osservatori di Marsiglia e Bologna, probabilmente per realizzare carte stellari. In queste città soggiornò per alcuni mesi fra il 1856 e il 1858.
Tornato a Venezia, alla fine del 1858 acquistò un telescopio Steinheil di circa 11cm di apertura, che utilizzò dalla scala di Palazzo Contarini. Al 1859 risalgono le sue prime scoperte: la cometa C/1859 G1 e la nebulosa delle Pleiadi. Nel 1860 fu richiamato da Valz all'Osservatorio di Marsiglia, dove si dedicò alla ricerca di asteroidi. Ne scoprì cinque: (64) Angelina, (65) Maximiliana - poi ribattezzato Cybele -, (74) Galatea, (81) Terpsicore, (97) Kloto. Partecipò alla missione di Giovan Battista Donati e Francesco Carlini in Spagna per l'osservazione dell'eclisse totale di Sole del 18 luglio 1860.
Lasciato l'osservatorio nel 1861 per dissidi con il nuovo direttore, riprese l'attività di litografo, ma continuò ad osservare dalla sua abitazione di Marsiglia. In questo periodo scoprì sette comete, fra le quali le periodiche 9P/Tempel 1, 11P/Tempel-Swift-LINEAS e 55P/Tempel-Tuttle.
In seguito alla guerra Franco-Prussiana, fu espulso dalla Francia e all'inizio del 1871 fu assunto all'Osservatorio di Brera da Giovanni Virginio Schiaparelli. A Milano scoprì altre tre comete, fra le quali la 10P/Tempel 2. Nel gennaio 1875 passò all'Osservatorio di Arcetri a Firenze, dove Schiaparelli lo fece assumere prima come aiuto, poi come assistente.
Unico astronomo in servizio ad Arcetri, utilizzò il telescopio Amici I per osservare numerose comete fra cui la C/1877 T1 (la dodicesima e ultima da lui scoperta); ma soprattutto si dedicò all'osservazione e disegno di nebulose. Scoprì circa 110 oggetti mai visti prima (quasi tutti galassie) fornendo il più ampio contributo italiano agli oggetti elencati da Dreyer nel New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars (1888). Per i suoi disegni di nebulose vinse il premio Reale dell'Accademia dei Lincei per il 1879. Privo di formazione accademica, ebbe idee controverse: riteneva un'illusione la forma a spirale vista in alcune nebulose e avversava l'applicazione all'astronomia di spettroscopia e fotografia.
Gravemente malato dal 1886, dovette abbandonare le osservazioni anche a causa delle cattive condizioni dell'Osservatorio. Morì a Firenze il 16 marzo 1889. Di lui Schiaparelli scrisse: " i suoi amici non potranno mai dimenticare l'amore puro e disinteressato che di lui, povero operaio, fece un valente astronomo: assicurando alla sua memoria una fama che durerà fintanto che sia in onore fra gli uomini lo studio delle cose celesti”.