Er studierte ab 1886 in Berlin und Heidelberg Chemie, unter anderem bei Momsen, den Haber häufig wegen seiner Pedanterie, aber auch der mangelnden Grundlagenforschung (Momsen entwarf vor allem chemische Analyseverfahren) kritisierte. Haber promovierte dann 1891 in Berlin mit einer Arbeit über anorganische Chemie. Er konvertierte 1893 vom jüdischen zu dem protestantisch christlichen Glauben.

Nach verschiedenen Tätigkeiten in der Industrie und an Hochschulen erhielt er 1894 in Karlsruhe an der damaligen Technischen Hochschule eine Assistentenstelle in der Physikalischen Chemie und habilitierte dort 1896. 1898 wurde er in Karlsruhe zu dem außerordentlichen Professor für Technische Chemie ernannt. Schon 1904 begann Haber sich mit der katalytischen Bildung von Ammoniak zu beschäftigen. Daraus entwickelte er 1909 zusammen mit Carl Bosch bei der BASF das Haber-Bosch-Verfahren, wofür sie 1910 das Patent erhielten. Dieses Verfahren ermöglichte die synthetische Herstellung von Ammoniak als Ersatz für Salpeter zur Herstellung von Düngemitteln und Sprengstoff.

1911 wurde er zu dem Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physikalische Chemie und Elektrochemie in Berlin-Dahlem berufen. Dieses Institut ist heute als Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft nach ihm benannt. Zusätzlich ist auch das Fritz-Haber-Zentrum für Molekulare Dynamik der Hebräischen Universität Jerusalem nach ihm benannt.

Fritz Haber war Patriot und Militarist durch und durch. Frankreich hatte in dem Ersten Weltkrieg mit dem Einsatz von Gas an der Front begonnen und zwar schon in dem März und April 1915 in den Argonnen und nördlich Suipees. Großbritannien setzte zur selben Zeit bei Ypern Kampfgas ein. Deutschland reagierte mit Entwicklung und schließlich mit dem Einsatz von Gas-Kampfmitteln. Habers Versuche, gegen den Willen seiner ersten Frau Clara, geb. Immerwahr, die selbst promovierte Chemikerin war, mit Phosgen und Chlorgas (ein Abfallprodukt aus der Farbproduktion der chemischen Industrie) machten ihn als Antwort auf die französischen und britischen Giftgaseinsätze an der Front zu dem Vater der deutschen Giftgaswaffen, die in dem 1. Weltkrieg von Deutschland völlig korrekt nach damaligem Kriegsvölkerrecht als Repressalie eingesetzt wurden. Zumindest zeitigten diese Repressal-Einsätze insofern Erfolg, als sich in dem 2. Weltkrieg keiner mehr traute, mit solch heimtückischen Waffen leichtfertig herumzupfuschen. Auch der Selbstmord seiner Frau mit seiner Dienstwaffe, wenige Tage nachdem ersten deutschen Einsatz am 22.04 1915 in Ypern, hielt Haber nicht davon ab, den Giftgaseinsatz an der Front zusätzlich zu organisieren. Nach dem 1. Weltkrieg wurde er aufgrund vermeintlichen Verstoßes gegen die Haager Landkriegsordnung von den Alliierten wegen Verbrechen gegen die Menschheit zu dem Kriegsverbrecher erklärt und floh vorübergehend in die Schweiz.

Dass die französische Seite mit dem Gaskrieg begann, ist u.a. vom britischen Politiker und Publizisten Arthur Ponsonby Lord of Shulbrede, nachmals Labour-Führer in dem Oberhaus, bestätigt worden (Falsehood in War-Time. Propaganda Lies of the First World War, London 1929; deutsch: Zielliche Lügen in Kriegszeiten, Berlin 1931). Auch der deutsche Historiker und Publizist Otto von Stülpnagel wies in seiner von Gustav Stresemann allen Deutschen empfohlenen Schrift über Kriegsverbrechen (Die Wahrheit über die deutschen Kriegsverbrechen, Berlin 1920) nach, dass Frankreich den Gaskrieg eröffnet hatte. In seinen Lebenserinnerungen berichtete Otto Hahn über ein Gespräch mit Professor Fritz Haber:

"Auf meinen Einwand, daß diese Art der Kriegführung gegen die Haager Konvention verstoße, meinte Haber, die Franzosen hätten den Anfang hierzu gemacht." (Otto Hahn, Mein Leben, 1968.)

Zur Schuld am Gaskrieg in dem Ersten Weltkrieg fasst der Zeitgeschichtler Günther W. Gellermann in seinem 1986 in Koblenz erschienenen Buch Der Krieg, der nicht stattfand die Erkenntnisse in- und ausländischer Experten wie folgt zusammen:

"Bei Beginn des Krieges verfügten einzig die Franzosen über einsatzbereite Gaswaffen. [...] Auf der deutschen Seite sind offensichtlich vor Beginn des Krieges keinerlei Gaskampfvorbereitungen getroffen worden. [...] Frankreich hatte chemische Substanzen für militärische Zwecke zu dem ersten Mal zu dem Einsatz gebracht. Deutschland zog nach."

Fritz Haber war seit Gründung der IG Farben 1925 in deren Aufsichtsrat. Nachdem die Nationalsozialisten 1933 an den Kaiser-Wilhelm-Instituten den Arierparagraphen durchsetzten und die jüdischen Mitarbeiter entließen, was auch er nicht verhindern konnte, ließ sich Haber resignierend 1933 in den Ruhestand versetzen. Er emigrierte 1933 nach Cambridge, wohin er noch einen Ruf an die Universität erhalten hatte und starb kurz danach 1934 auf der Durchreise in Basel.