Пьер Эжен Марселен Бертло родился в Париже в семье врача. Вначале Бертло изучал в Парижском университете медицину, но под влиянием лекций Т. Пелуза и Ж. Б. Дюма решил посвятить себя химии. Окончив университет в 1849 г., работал в лаборатории Пелуза, а с 1851 — в Коллеж де Франс у А. Ж. Балара.
В 1859—1864 гг. Бертло был профессором химии Высшей фармацевтической школы в Париже, в 1864—1906 гг. — профессор в Коллеж де Франс.
В 1873 г. стал членом Парижской академии наук; в 1889 г. — её непременным секретарём. Иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (с 1876 г.). Кавалер Большого Креста Ордена Почётного легиона.