Fils de Louis-Joseph Sainte-Claire Deville (1779-1825), grand propriétaire à Porto-Rico, qui fut un grand armateur, major de la garnison danoise et consul de France d'une part, et de Charlotte Duvivier de Fontenay (1786-1867) d'autre part. Il est le frère de Charles Sainte-Claire Deville (1814-1876), géologue et météorologue français, membre de l'Académie des Sciences, connu pour ses travaux sur les volcans. Il est élu à la chaire de Géologie du Collège de France en 1875.
Henri Sainte-Claire Deville se marie en 1842 avec Cécile Girod de l'Ain (1821-1919). Il a 5 enfants :
- Henry Félix Sainte-Claire Deville (1843-1908), directeur de manufactures de l'État, marié à Adélaïde Henriette Jeanne Delahaye,
- Émile Louis Sainte-Claire Deville (1845-1931), ingénieur de la Compagnie du Gaz, marié en 1869 avec sa cousine Blanche Sainte-Claire Deville,
- Georges Sainte-Claire Deville (1846-1913), lieutenant colonel d'infanterie,
- Charles Félix Sainte-Claire Deville (1852-1927), colonel de la cavalerie,
- Charles Étienne Sainte-Claire Deville (1857-1944), général de division et un des pères du canon de 75 mm modèle 1897.
1835 : Baccalauréat ès-lettres
1841 : License de Mathématiques
1841 : Thèse de médecine
1841 : thèse de chimie : Études sur l'essence de térébenthine, présentée à la Faculté des sciences de Paris, pour obtenir le grade de docteur ès sciences physiques, en mars 1841.
Dans La vie de Pasteur de René Vallery-Radot (1900), Henri Sainte-Claire Deville est décrit comme un homme amusant tout le monde, effacant la distance entre maître et élèves. Lorsqu'il était préoccupé des dettes scientifiques trop lourdes de son laboratoire, il allait s'inviter chez Victor Duruy et parvenait à ses fins budgétaires. Aussi, quand V. Duruy le voyait arriver, avait-il fini par dire : "Allons ! Combien ? J'aime mieux le savoir tout de suite." En 1868, à la création de l’EPHE, il prend la direction du laboratoire de Chimie de l’EPHE au sein de l’ENS qui sera un haut lieu de la chimie expérimentale, et choisit Paul-Gabriel Hautefeuille comme sous-directeur.
1845 : Il devient professeur de Chimie et doyen de la Faculté des sciences de Besançon : il aura notamment la charge de l’analyse de l’eau potable de la ville. Il isole l'acide nitrique anhydre en faisant passer du chlore sur du nitrate d'argent. Cette découverte lui vaut sa première renommée auprès du monde scientifique européen. il met en évidence la notion de réversibilité et d'équilibre chimique.
En 1851, il est nommé maître de conférences à l’ENS où il remplace A-J. Balard nommé au Collège de France.
En 1854, Henri Sainte-Claire Deville réalise la première production industrielle d'aluminium dans une usine de Javel à Paris. Les travaux sont directement financés par l'empereur Napoléon III. Les premiers lingots d'aluminium seront utilisés pour l'Exposition universelle de 1855.
Après son baccalauréat ès-lettres, H. Sainte-Claire Deville s’intéresse à la chimie. Il monte son propre laboratoire de chimie dans un grenier de la rue de la Harpe et effectue avec ses amis diverses expériences. Ses travaux les plus connus sont relatifs aux métaux et à la chimie métallurgique. Il détermine les propriétés mécaniques et la conductivité électrique de l'aluminium en collaboration avec Michael Faraday.
Études sur l'essence de térébenthine : thèse de chimie, présentée à la Faculté des sciences de Paris, pour obtenir le grade de docteur ès sciences physiques, mars 1841, Paris, impression de Bachelier, 1841, 54p.
Du platine et des métaux qui l'accompagnent, Paris, 1859, 139p.
De la métallurgie du platine et des métaux qui l'accompagnent, Paris : Dunod, 1861, 163p.
Fusion du platine et dissociation / mémoires de Sainte-Claire Deville , Debray, Troost, Hautefeuille, Isambert, Ditte, Joannis, Joly, Librairie Armand Colin, Paris, 1914, 132p.
Itinéraires de chimistes, 150 ans de Chimie en France avec les présidents de la SFC, SFC-EDP Sciences, 2007, 475-482.