Fermat a fréquenté l'Université de Toulouse avant de déménager à Bordeaux. Dans la seconde moitié des années 1620 Fermat part pour Orléans où il étudie le droit à l'Université. Devenu Conseiller du Roi au Parlement de Toulouse, il y vivra le reste de sa vie tout en travaillant également dans sa ville natale de Beaumont-de-Lomagne et dans une ville proche de Castres.

C'est Mersenne qui, mis au courant de ses travaux, lui écrit. Malheureusement, Roberval et Mersenne estiment que les problèmes dont parle de Fermat dans ses lettres ne sont généralement pas résolubles avec les techniques actuelles. Pourtant, sa réputation comme l'un des principaux mathématiciens dans le monde se développe rapidement.

Ayant reçu une copie de "La Dioptrique" de Descartes, Fermat n'y porte guère attention car il travaille à des méthodes d'intégration. Quand Mersenne lui demande son avis, Fermat affirme que Descartes n'a pas correctement déduit sa loi de réfraction. Dès lors, c'est une longue guerre entre eux. Si finalement, Descartes admet les techniques de Fermat, il écrit pourtant à Mersenne en déclarant que les méthodes de Fermat sont inadéquates ! En résumé, Descartes, très respecté à l'époque a sérieusement endommagé la réputation de Fermat.

Fermat est généralement célèbre par son travail en théorie des nombres, et en particulier, pour "le dernier théorème de Fermat" qui affirme que \(x^n+y^n=z^n\) n'a pas de solution entières quand \(n\gt 2\). Fermat a noté dans la marge "J'ai découvert une preuve remarquable mais la marge est trop petite pour la décrire". Il a fallu attendre la fin du 20e siècle pour qu'une démonstration soit obtenue par Andrew Wiles.

Fermat n'apprécie toujours pas les travaux de Descartes sur la réfraction de la lumière et la loi des sinus que Snell et Descartes ont proposée. Par contre, Fermat la déduit à partir d'une propriété fondamentale qu'il propose : "la lumière suit toujours le chemin le plus rapide." Ce principe de Fermat est devenu l'une des propriétés les plus élémentaires de l'optique, mais il n'avait pas trouvé grâce auprès de mathématiciens de son époque.

Enfin, de 1643 à 1654, Fermat travaille sans plus aucun contact avec ses collègues scientifiques de Paris. Il reste en correspondance avec Huygens et ses derniers travaux scientifiques sont consacrés à la théorie des nombres

Fermat possède un buste ainsi qu'une statue qui se trouve dans la salle des Illustres du Capitole de Toulouse

Secret et taciturne, il est toujours resté réticent à révéler trop sur sa pensée.