Estudià a Cervera i a Barcelona, on es llicencià en dret (1845), carrera que no exercí. Després d'exiliar-se a Perpinyà el 1848, tornà a Barcelona i en els anys següents inicià la seva dedicació a invencions mecàniques, que explotà d'una manera casolana, mentre imprimia material escolar per tal de sobreviure.
Perseguit per les seves idees polítiques republicanes, hagué de fugir a Cadaqués, on conreà la pintura i on madurà el projecte de construcció d'una nau submarina. Per a dur-lo a terme fundà una societat amb amics empordanesos i publicà el 1858 l'opuscle El Ictíneo o barco-pez. L'any següent portà a la pràctica el seu projecte i l'assajà al port de Barcelona. Amb l'èxit parcial assolit a les proves, el govern d'Isabel II, forçat per l'entusiasme popular, hagué de prometre ajut, però, de fet, no el proporcionà i posà tota mena de traves administratives, malgrat els informes favorables de persones de prestigi, com Josep de Letamendi, aleshores president de l'Ateneu Català. Monturiol i els seus amics fundaren la societat La Navegación Submarina per explotar l'invent, i l'empresa trobà comprensió i ajut per part del general Dulce, però finalment féu fallida i el segon Ictíneo fou venut com a ferro vell (1868).
Inventà també altres màquines i un procediment per a agilitzar la fabricació de paper engomat, que emprà quan fou director de la Fábrica Nacional del Sello, de Madrid, càrrec que obtingué en proclamar-se la República (1873) i que perdé en caure aquesta (1874).
Planejà d'altres invents, com un tramvia funicular i un velògraf. Alhora planejà els treballs per a dur a Barcelona les aigües del Ter. El 1883 projectà un sistema de conservació de carns que hagué d'abandonar per malaltia.
Ha estat objecte de polèmiques sobre el seu invent i el similar d'Isaac Peral, bé que aquest reconegué explícitament en una carta la prioritat de Monturiol (1889).
Obres principals
- Ensayo sobre el arte de navegar por debajo del agua (1891)