Orologiaio e costruttore di cronometri originario del Cantone di Neuchâtel, apprese i primi rudimenti dal fratello Jean-Henri. Nel 1745 si trasferì a Parigi per perfezionarsi presso il laboratorio di Julien Le Roy.
Contrariamente a quanto sostenuto dai suoi detrattori dell'epoca, Berthoud fu un profondo teorico oltre che un abilissimo artigiano: pubblicò numerose opere fondamentali e collaborò alla stesura dell'Encyclopédie. La sua rivalità con Pierre Le Roy fu segnata da dure polemiche sulla paternità delle innovazioni tecniche.
Pioniere della cronometria francese, presentò il suo primo orologio marino nel 1760 e nel 1773 pubblicò il celebre Traité des horloges marines. Nominato Orologiaio Meccanico del Re e della Marina, ricevette una pensione che gli permise di dedicarsi interamente alla ricerca. La sua eredità tecnica fu portata ai massimi livelli dal nipote Louis Berthoud.