A gimnázium első öt évét Xántus a győri bencés főgimnáziumban töltötte, majd a pécsi püspöki líceumban érettségizett, és ugyanott végezte el a jogakadémiát 1845-ben. 1847-ben ügyvédi vizsgát tett, utána Somogy megyei aljegyzőként tevékenykedett. 1848 májusában öccsével együtt belépett a Somogy megyei nemzetőrségbe, és tűzmesterként vett részt a pákozdi csatában. Hadnagyi előléptetésben részesült, majd átkerült a 46. gyalogos zászlóaljhoz. A komáromi várba vezényelték, tüzér főhadnagyként szolgált. 1849. február 8-án egy felderítő út alkalmával Érsekújvárnál osztrák fogságba esett. Königgrätzben (Hradec Králové, Csehország) tartották fogva, majd büntetésképpen közlegényként besorozták a csehországi Bilinben (Bilina, Csehország) állomásozó 35. Khewenhüller gyalogezredbe, ahol kilenc és fél hónapot szolgált. Anyja bécsi kapcsolatainak köszönhetően elbocsátották a katonai szolgálatból, de hazatérés helyett inkább Drezdába utazott. Prágában ismét letartóztatták, de mivel nem találtak kézzelfogható bizonyítékot arra, hogy katonatársait dezertálásra és lázadásra biztatta volna, katonai felügyelet alatti hazaszállításáról döntöttek. Xántus azonban megszökött, és Hamburgon keresztül 1850. november 18-án Londonba érkezett. Ott azonnal bekapcsolódott az emigráció tevékenységébe, és ő lett az 1851-ben alapított Magyar Emigránsok Demokratikus Segítségnyújtási Bizottságának elnöke. Emellett tudósításokat írt a Magyar Hírlapnak, egyebek mellett a Regent’s Park-i állatkertről, és az akkoriban megnyílt első világkiállításról. Már londoni leveleiben felbukkan az a szándéka, hogy a londoni Természettudományi Társaság szolgálatában a brazíliai Santarembe utazzon természetrajzi gyűjtőként, de végül 1852 közepén az Egyesült Államokba emigrált.

Ott tartózkodásának első éveiről alig tudunk valamit. Ami biztos, hogy 1853-ban New Orleansban csatlakozott Karl von Scherzer és Moritz Wagner természetrajzi gyűjtőútjához. Azt követően, hogy onnan alkalmatlansága miatt elbocsátották, néhány hónapot a magyar alapítású iowai Újbudán töltött, de mivel aligha vágyott a farmeréletre, és minden valószínűség szerint összekülönbözött ottani honfitársaival, egyéb lehetőség híján, 1855. szeptember 24-én szerződéses katonaként (private soldier) Louis Vésey néven öt évre belépett az amerikai hadseregbe. Állomáshelye a kansasi Fort Riley volt. Katonaorvosa vonta be a washingtoni Smithsonian Institution természetrajzi gyűjtőmunkájába, amit egészen 1864-es hazatéréséig végzett. Miután kimerítette a Fort Riley körüli gyűjtési lehetőségeket, Spencer Fullerton Baird, a washingtoni Smithsonian Institution másodtitkárának a segítségével 1857 májusában átkerült a kaliforniai Fort Tejonba, ahol húsz hónapon át folytatta gyűjtéseit, és a Smithsonian valaha volt egyik legjobb természetrajzi gyűjtőjévé vált.

1859 januárjában, ugyancsak Baird közbenjárására leszerelt és belépett a Partkutató Testület kötelékébe, azzal a feladattal, hogy a Kaliforniai-félsziget csúcsán levő Szent Lukács-fokon árapály-megfigyelő állomást létesítsen. Több mint kétéves ott tartózkodása során is folytatta gyűjtéseit.

1861 novemberében hazalátogatott, tudósnak és szabadságharcosnak kijáró tisztelettel fogadták, egzisztenciát azonban nem tudott teremteni, ezért 1862 júniusában visszatért az Egyesült Államokba, ahol, ismét csak Baird támogatásának köszönhetően, konzuli megbízatást kapott a mexikói Manzanillóba. Egy diplomáciai ballépése miatt ugyan fél év múltán felmentették hivatalából, de egészen 1864 márciusáig Mexikóban maradt, hogy befejezze gyűjtéseit. Részben az amerikai polgárháború miatt bezárultak lehetőségei az Egyesült Államokban, s ezért a hazatelepülés mellett döntött. Több mint egy évtizedes amerikai tartózkodása során százezres nagyságrendben gyűjtött zoológiai, botanikai, paleontológiai és ásványtani anyagot elsősorban a Smithsonian Institution és a philadelphiai Természettudományi Akadémia számára, de neki köszönhetően jutott a Magyar Nemzeti Múzeum is mintegy 7500 észak-amerikai természetrajzi tárgyhoz.

Emellett évek óta részt vett a pesti Állatkert előkészítésében, hazatérését követően is sokat tett érte, és 1866. augusztus 9-én végül az ő igazgatása alatt nyitotta meg kapuit. Eötvös József kultuszminiszter kérésére ezt az állását adta fel, amikor 1868 decemberében természetrajzi és népismei gyűjtőként csatlakozott az osztrák–magyar kelet-ázsiai expedícióhoz. Azt követően, hogy csaknem kétévi távollétet követően hazaérkezett, 1871 pünkösdjén kiállításon mutatta be népismei gyűjteményét. Ez volt Magyarországon az első néprajzi kiállítás. Ezt követően nevezték ki Xántust a Magyar Nemzeti Múzeum 1872-ben megalapított Ethnographiai Osztályának élére, és bízták meg a közelgő bécsi világkiállításra küldendő magyarországi néprajzi anyag összegyűjtésével. Az alapítást övező lelkesedést követően az Ethnographai Osztály csaknem két évtizeden keresztül nem pusztán magára maradt, hanem még a megszüntetése is fölmerült. Helyzete a millennium közeledtével mozdult el a holtpontról, élete legutolsó éveiben Xántus nem csak magyaroroszági gyűjtőtevékenységét újíthatta fel, hanem az osztály jobb körülmények közé helyezésében is aktívan részt vett. Előbb a Várkert Bazárba, majd egy ferencvárosi bérházba költöztette a múzeumot. Ottani felvirágzását Xántus azonban már nem érhette meg, 1894. december 13-án elhunyt.

Az addigra megkötött osztrák–magyar kiegyezés értelmében Magyarországnak 30%-os terhet kellett vállalnia a költségekből, illetve szakembereket biztosítani a diplomáciai kiküldöttek (Hengelmüller László, Bernáth Géza) és az ún. kereskedelmi jelentéstevők (Cserei Manó, Kaas Ivor) közé. Noha a magyar kormány megpróbálta mozgósítani a hazai gazdasági élet szereplőit, az MTA Természettudományi Osztályának tagjai nem reméltek gazdasági előnyöket az expedíciótól. Annál kecsegtetőbbnek tartották a tudományos lehetőségeket, ezért jártak közben Eötvös József kultuszminiszternél egy természetrajzi gyűjtő kiküldése érdekében. Eötvös a bécsi kormányzat minden ellenállását legyűrve elérte, hogy Xántus János 1868. december 31-én elindulhasson a már úton levő expedíció után azzal a megbízással, hogy a Magyar Nemzeti Múzeum és más hazai tudományos intézmények számára természetrajzi, népismei (néprajzi és iparművészeti), könyvészeti és numizmatikai információ- és tárgygyűjtést végezzen.

Az expedíció hajóival ellentétben Xántus már a Szuezi-csatornán keresztül utazhatott, ami nagyban meggyorsította utazását. Ennek köszönhetően előbb két hetet tölthetett Ceylonon elsősorban természetrajzi gyűjtéssel, majd két hónapon át várakozott Szingapúrban, mire az expedíció két hajója megérkezett. Az idő alatt a városban és a város körüli területeken tett gyűjtőutakat, majd az expedíció előfutáraként Bangkokba hajózott. Egyhónapos ott tartózkodása során főként népismei, könyvészeti és numizmatikai anyagot gyűjtött. Az expedíció rövid kokinkínai (vietnámi) tartózkodása során Xántusnak francia hadizsákmányból sikerült hozzájutnia egy kivételes iparművészeti gyűjteményhez, az azt hazaszállító hajó azonban elsüllyedt.

Kínában előbb Hongkongban és Kantonban időzött, miközben az expedíció többi tagja diplomáciai feladatokat teljesített. Hasonló okokból töltött Xántus közel három hónapot Sanghaj környékén, ahonnan több utazást is tett, a leghosszabbat a Jangce folyón Xankingig [Nanking] és Hankowig [Hankou, ma Vuhan egyik városrésze]. Elsősorban városi kézműves műhelyekben és boltokban vásárolt, természetrajzi anyagot pedig maga gyűjtött.
Szeptember közepétől Xántus mintegy két hónapot töltött Japánban. Gyűjtéseit elsősorban azokban a kikötőkben, Hiradóban, Nagaszakiban, Hiógóban és Jokohamában végezte, ahol az expedíció hajói megfordultak. Japánból származó népismei gyűjteményében, Kínához hasonlóan magas arányban vannak képviselve a „mustrák”, a gyári termékminták, melyeket a hazai iparfejlesztéshez kívántak felhasználni. A japán császársággal megkötött egyezményeket követően az expedíció teljesítette fő küldetését, és hajói kettéváltak.
A Friedrich korvett, egyfajta nyomásgyakorlásként, a kelet-ázsiai vizeken állomásozott, majd – az időközben megnyílt Szuezi-csatornán keresztül – visszatért Európába, és 1871. január 26-án futott be Pola kikötőjébe. A Donau fregatt Dél-Amerika felé indult, ahol a kelet-ázsiaihoz hasonló szerződéseket kötöttek. Mivel Dél-Amerikába mindössze egyetlen magyar tarthatott az expedícióval, és Xántusnak személyes, politikai és gyűjtési szempontból is különösen rossz volt a viszonya az expedíció osztrák résztvevőivel, ő lényegében csak a hazautazás és a maradás között választhatott. Ezért 1869. november 1-jén kivált az expedícióból, és Eötvös anyagi támogatásának köszönhetően önállóan folytatta gyűjtőútját.

Formosa (Tajvan), Honkong és Makaó érintésével visszatért az expedíciós bázisaként szolgáló Szingapúrba, és felkészült (felszerelést és ajánlóleveleket szerzett be, nyelvet tanult) leghosszabb, borneói gyűjtőútjára. Legfőbb célja az akkoriban Európában mindössze egyetlen példánnyal képviselt orángután elejtése volt. Négyhónapos borneói tartózkodása során nem csak hogy kilenc példányt sikerült elejtenie, hanem minden más ázsiai helyszínnél nagyobb természetrajzi és kivételesen gazdag néprajzi gyűjteményt állított össze.

Borneóról ismét visszatért Szingapúrba, ahonnan utolsó gyűjtőútjára Jávára utazott. Ott újabb nagyvadat, egy rinocéroszt sikerült elejtenie, de rajzai tanúsága szerint felkereste a buitenzorgi füvészkertet is. Utazását egy rövid szumátrai és újabb szingapúri megállóval fejezte be, és 1870. november 4-én, húsz hónappal elindulását követően lépett ismét partra Triesztben.

Gyűjteményei több mint 155 000 objektumot tettek ki, amiből a zoológiai példányok száma meghaladta a 86 000-et, a botanikai példányoké pedig a 65 000-et. Ehhez járult 428 ásvány és kövület, több mint 1000 érme és pénz, körülbelül 500 könyv és kézirat, valamint közel 3000 népismei tárgy. Gyűjteményei zöme a Magyar Nemzeti Múzeum már létező osztályaiba került, míg a népismei gyűjteményéből 1872. március 5-én létrehozták a múzeum Ethnographiai Osztályát.