Nato da ugonotti francesi originari della Normandia, il cognome deriva dal termine D'Hollande, iniziò come tessitore di seta, studiando autonomamente lingue classiche, matematica e fisica. Nel 1752 si unì all'officina ottica fondata dal figlio Peter, portando le sue profonde conoscenze teoriche nel commercio degli strumenti.
Tra il 1757 e il 1758, grazie a esperimenti sulla rifrazione, perfezionò l'obiettivo acromatico, combinando una lente convergente in vetro crown con una divergente in vetro flint. Questa combinazione correggeva l'aberrazione cromatica, permettendo telescopi più corti e immagini nitide. Per questa scoperta ricevette la Copley Medal nel 1758 e fu eletto membro della Royal Society nel 1761, anno in cui divenne ottico di Giorgio III.
Dopo la sua morte, il brevetto fu difeso ferocemente dal figlio Peter in una celebre causa legale: sebbene fosse provato che Chester Moore Hall (1703-1771) avesse ideato lenti simili anni prima, il diritto commerciale rimase ai Dollond poiché furono i primi a rendere l'invenzione pubblica e utile al mercato.