Perrault wurde in Paris geboren und starb dort. Neben seiner einflussreichen Architektur wurde er durch seine Übersetzung der zehn Bücher des Vitruv, des einzigen erhaltenen römischen Werks über Architektur, ins Französische bekannt, die auf Veranlassung von Colbert entstand und 1673 mit Perraults Anmerkungen veröffentlicht wurde. Seine Abhandlung über die fünf klassischen Ordnungen der Architektur folgte 1683. Als Arzt und Naturphilosoph mit einem medizinischen Abschluss der Universität Paris wurde Perrault eines der ersten Mitglieder der 1666 gegründeten französischen Akademie der Wissenschaften.
Ein von Ludwig XIV. beauftragter Ausschuss, der Petit Conseil, bestehend aus Louis Le Vau, Charles Le Brun und Perrault, entwarf die Ostfassade des Louvre. Sie wurde 1668 begonnen und 1680 fast fertiggestellt. Zu diesem Zeitpunkt hatte Ludwig XIV. den Louvre bereits aufgegeben und seine Aufmerksamkeit auf das Schloss von Versailles gerichtet. Der Flügel hinter der Ostfassade wurde erst im 19. Jahrhundert mit der Ankunft Napoleons fertiggestellt. Die endgültige Gestaltung der Ostfassade wird Perrault zugeschrieben, der die letzten Änderungen vornahm, die notwendig waren, um der Entscheidung Rechnung zu tragen, die Breite des Südflügels zu verdoppeln.
Die Ostfassade, die in fünf Teile unterteilt ist, ist eine typische Lösung des französischen Klassizismus. Der schlichte Charakter des Erdgeschosses hebt die paarweise angeordneten korinthischen Säulen, die streng nach Vitruv modelliert sind, von einer schattigen Leere ab, an deren Enden sich Pavillons befinden. In seinem kühlen Klassizismus, der auf das 16. Jahrhundert zurückgeht, ist wenig Barockes zu erkennen. Die Beteiligung Perraults an ihrer Gestaltung begründete seinen Ruf als Architekt.
Perrault baute auch ein Observatorium, die Kirche von St-Benoît-le-Bétourné, entwarf eine neue Kirche von Ste-Geneviève und errichtete einen Altar in der Kirche der Kleinen Väter, alles in Paris. Perraults Entwurf für einen Triumphbogen in der Rue St-Antoine wurde den konkurrierenden Entwürfen von Le Brun und Le Vau vorgezogen, aber nur teilweise in Stein ausgeführt. Als der Bogen im 19. Jahrhundert abgetragen wurde, stellte man fest, dass der geniale Meister eine Methode entwickelt hatte, die Steine ohne Mörtel so ineinander zu verzahnen, dass sie zu einer untrennbaren Masse wurden.
Außerdem leistete er einen wertvollen Beitrag zur Akustik. Seine Abhandlung über den Schall war ein Teil des Buches Oeuvres diverses de Physique et de Mecanique. In seinem späteren Buch behandelt er Themen wie Tonträger, Schallquellen und Schallaufnahmegeräte. In der musikalischen Akustik wies er auf die Bedeutung von Schwingungen für Konsonanz und Dissonanz hin. In seiner Studie „De la Musique des Anciens“ in den Oeuvres diverses erörtert er, wie Kombinationen von Noten Harmonie ergeben. Es enthält auch kritische Untersuchungen alter Manuskripte über europäische Musik.
Sein Bruder, Charles Perrault, ist als klassischer Nacherzähler der alten Geschichte von Aschenputtel neben anderen Fabeln in Erinnerung geblieben.