Родился 29 октября 1656 г. небольшой деревушке Хаггерстон (ныне окраина Лондона) в семье зажиточного мыловара. Учился в школе св. Павла, затем, с 1673 г. в Королевском колледже, в Оксфорде.
Ешё в 1676 г., будучи студентом третьего курса Оксфордского университета, Галлей опубликовал свою первую научную работу — об орбитах планет и открыл большое неравенство Юпитера и Сатурна (скорость всё время возрастает у одной планеты — Юпитера — и уменьшается у другой). Это открытие впервые поставило перед астрономами важнейший для человечества вопрос об устойчивости, долговечности Солнечной системы. В 1693 г. Галлей обнаружил вековое ускорение Луны, что могло свидетельствовать о её непрерывном приближении к Земле...
Покинув Оксфорд, Галлей посетил в 1676 году остров св. Елены в Южной Атлантике с целью изучения звезд Южного полушария. Возвратился в Англию в ноябре 1678 года, а в 1679 году издал Каталог Южного неба, в который включил информацию о 341 звезде Южного полушария. За особые достижения Галлей был представлен к званию магистра астрономии в Оксфорде и был принят в члены Лондонского Королевского Общества.
В 1677 г. Галлей предложил новый метод определения расстояния до Солнца, т. е. астрономической единицы. Для этого необходимо было наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца из двух мест, удалённых по широте. Способ Галлея позволил к концу XIX в. в 25 раз снизить ошибку при определении солнечного параллакса.
Возвратившись в Англию, Галлей занялся исследованием силы, которая управляет движением планет. В 1684 г. он самостоятельно вывел, что она обратно пропорциональна квадрату расстояния до планеты. Однако решить задачу, каковы будут формы орбит, определяемых действием такой силы, Галлей, как и другие физики, не мог. Между тем проблема почти за два десятка лет до него была решена Исааком Ньютоном, который, однако, свои результаты публиковать не собирался. Узнав об этом, Галлей убедил Ньютона возобновить исследования и взял расходы по их публикации на себя. Так увидели свет знаменитые «Математические начала натуральной философии» (1687 г.). Галлей написал на латыни восторженное посвящение их великому автору.
Галлей внёс огромный вклад в становление демографии. В 1693 году он построил первую полную таблицу смертности для населения города Бреславля (Вроцлав), включил в нее младенческую и детскую смертность.
С именем Эдмунда Галлея связан и коренной перелом в представлениях о кометах. В Новое время до Ньютона все считали их чужеродными странниками, лишь пролетающими сквозь Солнечную систему по незамкнутым параболическим орбитам. После того как в 1680 и 1682 гг. появились две яркие кометы, Галлей рассчитал и опубликовал в 1705 г. орбиты 24 комет и обратил внимание на сходство параметров орбит у нескольких из них, наблюдавшихся в XVI — XVII вв., с параметрами кометы 1682 г. Промежутки времени между появлениями этих комет оказались кратными 75—76
В статье 1714 г. Галлей сделал весьма смелый вывод, что болиды, до того считавшиеся воспламенёнными земными испарениями, — скорее результаты встречи Земли со случайными сгустками космической межпланетной материи. Эта идея вдохновила более поздних исследователей и среди них — немецкого астрофизика Эрнста Хладни, родоначальника научной космической теории метеоритов и болидов (1794 г.).
В 1718 г. Галлей впервые показал условность традиционного названия «неподвижные звёзды». Чтобы уточнить постоянную прецессии, он сравнил современные ему каталоги звёзд с античными, и прежде всего с каталогом Гиппарха. На фоне однородной картины закономерного смешения всех звёзд Галлей обнаружил удивительный факт: «Три звезды: ...или Глаз Тельца Альдебаран, Сириус и Арктур прямо противоречили этому правилу». Так было открыто собственное движение звёзд. Оно получило окончательное признание в 70-е гг. XVIII в., после измерения немецким астрономом Тобиасом Майером и английским астрономом Невилом Маскелайном собственных движений десятков звёзд.
Галлей был первым, кто привлёк внимание астрономов к совершенно загадочному тогда объекту — туманностям. В статье 1715 г. он уже утверждал, что это самосветящиеся космические объекты (а не уплотнения небесной тверди, отражающие солнечный свет, как допускали многие). Учёный также сделал и далеко идущее заключение, что таких объектов во Вселенной, «без сомнения», много больше и «они не могут не занимать огромных пространств, быть может, не менее, чем вся наша Солнечная система».
В 1721 г. Галлей высказал идею, получившую в космологии наименование фотометрического парадокса: если пространство Вселенной содержит бесконечное количество звёзд, то ночное небо не может быть чёрным, а должно светиться целиком. Формулировка Галлея, однако, не совсем правильна: он полагал, что яркость этого свечения должна быть как у Млечного Пути, но на самом деле она должна быть гораздо больше, равной яркости поверхности Солнца, как позднее установил Шезо.
Научные заслуги Эдмунда Галлея были признаны ешё при жизни. С 1703 г. он возглавлял кафедру геометрии Оксфордского университета, с 1713 г. был учёным секретарём Лондонского королевского общества, с 1720 г. — Королевским астрономом, т. е. директором Гринвичской обсерватории (которую за свой счёт заново оборудовал инструментами). Галлей был избран иностранным членом Парижской академии наук.
Скончался Эдмунд Галлей в Гринвиче 14 января 1742 г. Имя его увековечено в названиях знаменитой кометы и кратеров на Луне и — в наши дни — на Марсе.