Werner wurde als Sohn des Gräflich-Solmsschen Eisenhüttenwerksinspektors zu Wehrau und Lorzendorf, Abraham David Werner, geboren und bereits 1764 als Hüttenschreiber und Gehilfe bei seinem Vater angestellt. 1769 begab er sich an die Freiberger Bergakademie. Seit 1771 weilte er an der Universität Leipzig, wo er Rechtswissenschaften und später Naturwissenschaften studierte.
Im Jahr 1775 kam er als Inspektor und Lehrer der Mineralogie zurück an die Bergakademie in Freiberg, wo er, später in der Position eines Professors, bis zu seinem Tode blieb. Werner zog Studenten aus ganz Europa und sogar aus Amerika an. Er entwickelte die Mineralogie als ein von der Bergbaukunde getrenntes Fachgebiet und hielt erstmals Vorträge über die Geognosie als Wissenschaft von den physischen und mineralogischen Beschaffenheit der Erde insgesamt; er machte damit die Erdbeobachtung zur Erfahrungswissenschaft.
Werner entwickelte auch eine der ersten systematischen Mineral-Klassifikationen, die heute allerdings nicht mehr in Gebrauch ist; seine Kennzeichenlehre und die Mineralbeschreibungen gelten jedoch als klassisch.
Werner war der Ansicht, dass der Ursprung der Bildung von Mineralen und der Veränderung der Erdoberfläche im Wasser zu suchen sei und begründete damit den so genannten Neptunismus: Alle Gesteine entstanden demnach hintereinander in einem durch die Sintflut geschaffenen Ozean; erst wurden magmatische, dann metamorphe Gesteine, darauf Sedimentgesteine und schließlich Oberflächensedimente abgelagert. Im Gegensatz zu dieser These stand der unter anderem von James Hutton vertretene Plutonismus, der sich letztlich durchsetzte.
1791 erhielt Werner vom Oberbergamt den Auftrag zur Durchführung der von ihm lage geforderten Geognostischen Landesuntersuchung. Ab 1816 assistierte dem kränkelnden Prof. Werner dabei Carl Amandus Kühn, der die Arbeiten nach dessen Tode fortsetzte.
1851 wurde Abraham Gottlob Werner in den Promenaden zu Freiberg ein von Prof. Johann Eduard Heuchler entworfenes Denkmal errichtet.
Werner blieb unverheiratet und hatte keine Nachkommen.
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