Lacaille studierte Theologie, Mathematik und Astronomie. 1739 war er Gehilfe von Cassini beim Messen des Meridians bei Paris und 1741 wurde er Mitglied der Pariser Akademie.
Von 1750 bis 1754 beobachtete er die Sternbilder des Südhimmels am Kap der Guten Hoffnung. Er katalogisierte hierbei fast 10.000 Sterne. Sein Coelum Australe Stelliferum wurde postum 1763 veröffentlicht.
Seine Positionsbestimmungen von Mond, Venus und Mars trugen dazu bei, die Distanzen dieser Himmelskörper präziser als bis dahin möglich zu bestimmen.
Seine in Südafrika durchgeführten Positionsmessungen an Fixsternen belegten auch die Richtigkeit der von Isaac Newton vorgetragenen Vermutung, dass die Erde nicht eine Kugel sei, sondern - durch die Fliehkraft bedingt - am Äquator einen größeren Durchmesser haben müsse als von Pol zu Pol. Lacaille kam jedoch zu dem Ergebnis, die Wölbung sei auf der Südhalbkugel der Erde geringer (flacher) als auf der Nordhalbkugel. Dies wird als Meridian-Problem bezeichnet.
Die von Lacaille erfundenen Sternbilder sind (mit den heutigen Bezeichnungen):
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