Carioca, nasceu em 1842. Doutorou-se pela Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro em 1866. Entre 1867 e 1870 participou da Guerra do Paraguai como Cirugião-Mór de brigada. Com o fim da guerra deixou o exército com a patente de major, tornou-se Oficial da Ordem da Rosa e foi condecorado com a Medalha da Campanha do Paraguai.
Em 1874 assumiu a cátedra de Química Orgânica da Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro. Entre setembro de 1874 e o início de 1878 viajou à Europa com a missão de analisar substâncias medicamentosas da flora brasileira, além de recrutar profissionais e arrolar os instrumentos necessários para equipar os laboratórios das escolas superiores da corte. Participou ativamente da modernização do ensino das ciências físicas e naturais, de valorização da ciência experimental e do aprendizado em laboratório, e da Implantação de reformas regimentais e curriculares que transformariam o ensino médico e de engenharia no país. Foi professor do Liceu de Artes e Ofícios, onde ensinava as aplicações da química à incipiente indústria nacional.
Em 1880 publicou “Compilações de trabalhos químicos seguidos de pesquisas sobre a causa, a natureza e o tratamento da febre amarela” onde defendia a doutrina microbiana da febre amarela, descrevia suas pesquisas e o desenvolvimento da vacina. Foi eleito membro titular da Academia Nacional de Medicina em 1885. Assumiu a direção do Museu Nacional em 1893. Com a instituição da república tornou-se diretor do Laboratório de Bacteriologia que em 1892 teve as atribuições ampliadas e passou a ser conhecido como "Instituto Bacteriológico Domingos Freire". Dirigiu a instituição até seu falecimento em agosto de 1899.