Perrault est né et mort à Paris. Outre son architecture influente, il s’est fait connaître par sa traduction en français des dix livres de Vitruve, le seul ouvrage romain sur l’architecture qui subsiste, écrite à l’instigation de Colbert et publiée, avec les annotations de Perrault, en 1673. Son traité sur les cinq ordres classiques d’architecture suivit en 1683. Médecin et philosophe naturel diplômé de l’université de Paris, Perrault devient l’un des premiers membres de l’Académie des sciences lors de sa fondation en 1666.
Un comité mandaté par Louis XIV, le Petit Conseil, composé de Louis Le Vau, Charles Le Brun et Perrault, conçoit la façade est du Louvre. Commencée en 1668, elle était presque achevée en 1680, date à laquelle Louis XIV avait abandonné le Louvre pour se consacrer au château de Versailles. L’aile située derrière la façade orientale n’a été achevée qu’au XIXe siècle, avec l’arrivée de Napoléon. La conception définitive de la façade orientale est attribuée à Perrault, qui a effectué les dernières modifications nécessaires pour tenir compte de la décision de doubler la largeur de l’aile sud.
La façade orientale, divisée en cinq parties, est une solution typique du classicisme français. Le caractère simple du sous-sol du rez-de-chaussée met en valeur les colonnes corinthiennes jumelées, modelées strictement selon Vitruve, contre un vide ombragé, avec des pavillons aux extrémités. Peu de choses que l’on pourrait qualifier de baroques sont identifiables dans son classicisme froid qui remonte au XVIe siècle. La participation de Perrault à sa conception a établi sa réputation en tant qu’architecte.
Perrault a également construit un observatoire, l’église de St-Benoît-le-Bétourné, conçu une nouvelle église de Ste-Geneviève, et érigé un autel dans l’église des Petits Pères, tous à Paris. Le projet de Perrault pour un arc de triomphe dans la rue St-Antoine fut préféré aux projets concurrents de Le Brun et Le Vau, mais ne fut que partiellement exécuté en pierre. Lorsque l’arc fut démonté au XIXe siècle, on découvrit que le maître ingénieux avait imaginé un moyen d’emboîter les pierres, sans mortier, de telle sorte qu’elles étaient devenues une masse inséparable.
En outre, il a apporté une contribution précieuse en matière d’acoustique. Son traité sur le son faisait partie du livre Oeuvres diverses de Physique et de Mécanique. Dans ce dernier ouvrage, il traite de sujets tels que les supports sonores, les sources de son et les récepteurs de son. En acoustique musicale, il note l’importance de la vibration sur la consonance et la dissonance. Son étude « De la Musique des Anciens » dans les Oeuvres diverses traite de la manière dont les combinaisons de notes produisent l’harmonie. Il contient également des examens critiques d’anciens manuscrits sur la musique européenne.
On se souvient de son frère, Charles Perrault, comme le redirecteur classique de la vieille histoire de Cendrillon parmi d’autres fables.