Son père, l’artiste-peintre Antoine Plateau, qui voulait faire de son fils un artiste, l’envoie à l’académie de dessin. Orphelin à 14 ans, pris en charge par un oncle, il retourne dans l’enseignement général et poursuit ses études à l’Athénée royal de Bruxelles. En 1822, il entre à l’Université de Liège. Il en sort docteur en physique et mathématique en 1829. Il est nommé professeur de physique expérimentale à l’Université de Gand en 1835.

Célèbre pour ses recherches sur la persistance rétinienne, il invente le phénakistiscope —Le phénakistiscope (mot formé du grec phenax -akos, « trompeur », et skopein, « examiner ») — en 1832 et en tire des règles qui serviront de base à l’invention du cinéma. Ce « joujou scientifique » permet la synthèse d’un mouvement cyclique à partir d’une série de dessins disposés sur un disque percé de fentes. Certaines animations de ces disques ont été conçues par le peintre belge Jean-Baptiste Madou. Il comporte un disque en carton, percé de dix à douze fentes, sur lequel un mouvement est décomposé en une séquence d’images fixes, et un manche pour le maintienir lors de sa rotation. Le spectateur se place en face d’un miroir, du côté opposé aux dessins, et place ses yeux au niveau des fentes du disque. Lors de la rotation du carton, les fentes servent d’obturateur en ne laissant apparaître l’image reflétée dans le miroir qu’un bref instant. L’œil ne voit donc que des images fixées par la persistance rétinienne, s’animant les unes après les autres, ce qui reconstitue le mouvement lorsque le disque tourne à une vitesse suffisante.

En 1836, il présente l’anorthoscope, qui permet de reconstituer une image fixe par superposition de deux images en mouvement, découverte qu’il décrit comme « une espèce toute nouvelle d’anamorphoses ».

Ce sont ses expérimentations sur la persistance rétinienne qui le rendront aveugle : au cours de l’été 1829, il se force à fixer le soleil à l’œil nu durant 25 secondes pour en analyser les conséquences physiques. La rétine brûlée, il ne retrouve la vue qu’après plusieurs jours, et deviendra définitivement aveugle quatorze ans plus tard, en 1843.

Il étudie également les phénomènes de capillarité et de tension superficielle, tirant de ses observations sur les films de savon les conditions de Plateau qui s’appliquent aux surfaces minimales.