Entró a estudiar al Instituto Nacional en 1840, para más tarde, 1846 ser visto por Andrés Bello al dictar su examen final de latín, dando inicio a una larga amistad entre maestro y discípulo.

Con solo 19 años, ganó el llamado a concurso para llenar una vacante como profesor de Humanidades del Instituto Nacional. Pese a que se le exigía al postulante un mínimo de 21 años, el Consejo de la Universidad de Chile le concedió en razón de sus excepcionales méritos.

En 1848, y habiendo sido profesor del Instituto Nacional y secretario general de la Universidad de Chile, abogó por una reforma al sistema educacional chileno, promoviendo la instalación de políticas educacionales que aseguraran la instrucción gratuita, laica y obligatoria, y luchó por ampliar el acceso a la enseñanza a todos los sectores sociales.

Sería nombrado Ministro del Interior en 1868, durante el gobierno de José Joaquín Pérez. Como tal, realizó numerosas obras públicas, además de impulsar una posterior reforma que permitió dar ocupación a las mujeres en las administraciones de correos y en las oficinas telegráficas. 

A través de su ensayo La educación femenina (1872), argumentó a favor del derecho de las mujeres a ingresar a la universidad, llegando a promulgarse el Decreto Amunátegui en 1877. Lo que allanó el camino para que Eloísa Díaz se convirtiera en la primera médica de América Latina.