Учился в академических гимназии и университете (1751 – 1762). Совершенствовал знания в Страсбургском университете (1762 – 1767). С 1774 г. – заведующий Ботаническим садом Петербургской АН, в 1777 – 1794 гг. – академической гимназией. С 1783 г. до конца жизни – непременный секретарь Российской Академии.
В 1768 г. был назначен руководителем экспедиции Петербургской АН, организованной с целью изучения и описания малоизвестных земель Российской империи. Выехав из Москвы, экспедиция направилась в Поволжье, затем на Урал и в Тюмень, далее через Северный Урал в Архангельск и на побережье Белого моря, обследовала Соловецкие острова и полуостров Канин. Возвратилась в Петербург в 1772 г.
В 1773 г. Лепехин возглавил экспедицию в Прибалтику и Белоруссию, побывал у истоков Волги и Западной Двины. В его труде «Дневные записки путешествия… по разным провинциям Российского государства» приведен ценный фактический материал по географии и этнографии России, сделан ряд важных научных обобщений об изменении земной поверхности, образовании пещер, происхождении обнаруженных на суше остатков морских организмов, влиянии внешней среды на изменения в растительном и животном мире, описаны месторождения полезных ископаемых. По научным результатам экспедиции Лепехина (наряду с исследованиями П. С. Палласа) были самыми значительными из всех экспедиций, организованных в XVIII в. Петербургской АН, и имели большое значение для географического изучения России.
Годы жизни 1740 – 1802