Il entre en apprentissage de pendulier à quatorze ans chez son frère Jean-Henry à Couvet et reçoit également une solide instruction scientifique. Le 16 avril 1745, âgé de 18 ans, il part s’installer à Paris pour se perfectionner dans la profession d’horloger-pendulier. Il exerce ses talents de compagnon chez les maîtres horlogers de la communauté parisienne. Sous le règne de Louis XV (1710-1774), le Paris du dix-huitième siècle vit une époque de rayonnement intellectuel et de questionnement scientifique sans précédent. C’est le siècle des Lumières. La connaissance est au centre de toutes les préoccupations des savants, écrivains et philosophes, encouragés et soutenus dans leurs recherches par l’Académie royale des sciences. C’est dans ce contexte particulier que le caractère d’ingénieur-scientifique de Ferdinand Berthoud, son habilité manuelle et son don pour la mécanique pourront se développer et faire de lui l’un des plus grands horlogers de tous les temps.

Les académiciens Charles-Etienne Camus (1699-1768), mathématicien et astronome, et Pierre Bouguer (1698-1758), mathématicien, physicien et fameux hydrographe, rédigent un rapport élogieux sur la qualité de son travail. Le 4 décembre 1753, par un arrêt du Conseil du roi, en contradiction avec les règlements corporatifs et par faveur spéciale du souverain, Ferdinand Berthoud accède à la maîtrise et reçoit officiellement, à 26 ans seulement, le titre de Maître Horloger. La renommée de Ferdinand Berthoud est telle dans son domaine que, dès 1755, il est chargé de rédiger plusieurs articles de référence sur l’horlogerie dans « L’Encyclopédie méthodique » éditée de 1751 à 1772 sous la direction de Diderot et d’Alembert. En 1759, Ferdinand Berthoud publie son premier ouvrage spécialisé, « L’Art de conduire et de régler les pendules et les montres, à l’usage de ceux qui n’ont aucune connaissance d’horlogerie ». Cet ouvrage de vulgarisation rencontre un grand succès et sera traduit en plusieurs langues et sera réédité à plusieurs reprises dans le courant des dix-huitième et dix-neuvième siècles.

Le 13 décembre 1760, Ferdinand Berthoud dépose à l’Académie Royale des sciences un « Mémoire sur les principes de construction d’une Horloge de Marine », la fameuse Horloge Marine N° 1, dont la construction sera achevée début 1761. Deux ans plus tard, il publie un traité d’horlogerie en deux volumes « Essai sur l’horlogerie; dans lequel on traite de cet Art relativement à l’usage civil, à l’Astronomie et à la Navigation, en établissant des principes confirmés par l’expérience ». Cet ouvrage sera traduit en allemand dès 1795 et réédité à plusieurs reprises. En 1763, Ferdinand Berthoud est nommé par le Roi pour procéder à l’examen de l’horloge marine H4 de Sr. John Harrison à Londres, que ce dernier refusera catégoriquement de lui montrer. Cependant, son voyage lui ouvre les portes des milieux scientifiques anglais qui, en vertu de l’importance de ses œuvres et de ses publications dans le domaine de l’horlogerie, lui permettent d’être élu, le 16 février 1764, « membre associé étranger » de la Royal Society à Londres. L’année suivante, Berthoud achève deux Horloges Marines, appelées N° 2 et N° 3. La montre désignée sous le N°3 est celle qui fut présentée à l’Académie Royale des Sciences en 1761 sous le N°1.

Deux ans plus tard, le Duc de Praslin remet les Horloges Marines N° 6 et N° 8 au chevalier de Fleurieu, explorateur et hydrographe, enseigne des vaisseaux du Roy. Sa mission est d’éprouver les montres sur la corvette « L’Isis » lors d’un voyage aller-retour de Rochefort à Saint Domingue. Les épreuves en mer subies par les horloges durant 18 mois sont couronnées de succès. L’Horloge Marine N° 8 permit de déterminer sur une carte la position réelle du bateau et de calculer, grâce aux observations astronomiques, la longitude à un demi-degré près. Une première pour la Marine Royale. Le résultat des observations du chevalier de Fleurieu est publié en 1773 sous le titre « Voyage fait par ordre du roi, pour éprouver les horloges marines ». Parallèlement, Ferdinand Berthoud poursuit ses recherches. Afin d’améliorer la précision, il travaille à la fois sur la fiabilité de l’échappement et la compensation des effets dus aux variations de température. C’est ainsi qu’il découvre la compensation moyenne en 1768 et travaille sur différentes versions d’échappements. En 1769, Ferdinand Berthoud fait venir à Paris, de Couvet (Suisse), son neveu Pierre-Louis Berthoud (1754-1813), communément appelé Louis Berthoud, jeune horloger-pendulier de talent, afin de poursuivre son apprentissage. Louis le secondera dans l’exécution et l’entretien des horloges marines qu’il fournit à la Marine française et espagnole.

Il doit ainsi fournir l’amirauté française en « horloges à longitudes » pour les nombreuses campagnes de cartographie et de relevés hydrographiques qui auront lieu dans la fin du dix-huitième siècle. En 1771, il dote la Montre Marine N° 3 d’un échappement à détente pivotée, en substitution à l’échappement à double virgule précédemment utilisé. En 1773, Berthoud publie le « Traité des horloges marines contenant la théorie, la construction, la main-d’œuvre de ces machines et la manière de les éprouver, pour parvenir par leur moyen, à la rectification des cartes marines et à la détermination des longitudes en mer ». Ce traité est une première, car il expose tous les éléments permettant de construire une horloge marine. Deux ans plus tard, Ferdinand Berthoud édite un nouvel ouvrage, « Les longitudes par la mesure du temps ou méthode pour déterminer les longitudes en mer avec le secours des horloges marines, suivie du recueil des tables nécessaires au pilote pour réduire les observations relatives à la longitude et à la latitude ». Depuis la présentation à l’Académie Royale des Sciences de sa première Montre Marine et sa réalisation en 1761, Berthoud aura réalisé et livré à fin 1773 à l’Amirauté une dizaine d’horloges à poids ou à ressort, toutes exploitées pour la mesure du temps en mer et le calcul des longitudes.

Au décès d’Henry en 1783, Ferdinand confie alors la direction de son atelier de Paris à son neveu Pierre-Louis Berthoud (dit Louis Berthoud), qui le secondait depuis 1769 dans la construction des Horloges Marines et qui s’avérera être également un excellent gestionnaire. Faisant preuve de dispositions remarquables, Louis Berthoud, après livraison au Prince des Asturies, futur Roi Charles IV d’Espagne, de la première montre à longitude de poche, obtient, en 1784, le titre « d’Elève Horloger Mécanicien de la Marine ».

Ce dernier part le 1er août pour une expédition autour du monde, visant à compléter les découvertes dans l'océan Pacifique du célèbre explorateur et cartographe britannique James Cook. Après près de trois ans de voyage, les horloges embarquées sont perdues en mer lors du tragique naufrage de « L’Astrolabe » qui survient en juin 1788 au large des îles de Santa Cruz (îles Salomon). Le comte de la Pérouse et l‘essentiel de son équipage périssent dans ce drame. En 1787, Ferdinand Berthoud publie « De La Mesure du Temps ou supplément au traité des horloges marines et à l’Essai sur l’horlogerie, contenant les principes d’exécution, de construction et d’épreuves des petites horloges à longitudes et l’application des mêmes principes de construction aux montres de poche, ainsi que plusieurs constructions d’horloges astronomiques ». En 1792, il édite le « Traité des montres à longitudes, contenant la construction, la description & tous les détails de main-d’œuvre de ces Machines ; leurs dimensions, la manière de les éprouver, etc. ». Il y explique qu’il a exécuté une cinquantaine d’Horloges et de Montres à Longitudes, principalement pour la Marine française mais aussi pour celle d’Espagne et pour les officiers de la marine marchande. Ferdinand Berthoud liste dans cet ouvrage les campagnes ordonnées et les garde-temps livrés.

Ce calendrier marque la volonté des révolutionnaires d'adopter un système universel s’appuyant sur le système décimal, qui ne soit plus lié à la monarchie, et remplaçant le calendrier grégorien en vigueur dans la chrétienté depuis 1582. Il comprend notamment un nouveau découpage de l'année et de nouveaux noms pour les mois et les jours. Ainsi, le temps décimal est officiellement introduit en France le 5 octobre 1793 (14 vendémiaire de L’An II). Les réformateurs suppriment la division du jour en 24 heures et ses subdivisions sexagésimales. Ils décrètent que, de minuit à minuit, le jour se divise en 10 heures, fractionnées chacune en 100 minutes décimales, celles-ci contenant 100 secondes. Cette même année, Louis Berthoud livre au chevalier Jean-Charles de Borda (1733-1799), mathématicien, politologue et ingénieur de la marine française, son premier chronomètre de marine de poche affichant le système décimal, N° 26. Les montres et horloges décimales sont rares et ce chronomètre est probablement le premier réalisé dans le système décimal. Deux ans plus tard, par la loi du 18 germinal de l’An III (7 avril 1795) le temps décimal est aboli en France, dix ans avant l'abolition du calendrier révolutionnaire.

En 1797, Louis Berthoud remporte le prix de l’Institut des Sciences et des Arts pour ses chronomètres N° 27, construit pour le chevalier de Fleurieu en 1795, et N° 32, à division décimale du temps. Après de nombreuses années de recherche, Ferdinand Berthoud publie, en 1802, l’un de ses plus importants ouvrages: « Histoire de la mesure du temps par les horloges », dans lequel il démontre son savoir exceptionnel dans l’art de la mécanique horlogère. La même année, Louis Berthoud, reçoit le titre d’Horloger Mécanicien de la Marine puis en 1805, celui d’Horloger de L’Observatoire et du Bureau des longitudes de Paris. En 1804, Ferdinand Berthoud reçoit de Napoléon le titre de Chevalier de la Légion d’honneur en tant que membre de l’Institut. Son œuvre occupe une place privilégiée dans l’histoire des sciences et techniques et notamment dans l’art de la chronométrie de marine. Il est le seul horloger qui ait publié intégralement le résultat de ses recherches de façon méthodique et détaillée, permettant de reproduire ses constructions à l’identique.

Le 20 juin, il décède à l’âge de 80 ans, sans enfants. Il est enterré à Groslay, dans la vallée de Montmorency (département du Val d’Oise), où figure un monument à sa mémoire. Horloger d’exception, doué d’un esprit supérieur, Ferdinand Berthoud laisse une œuvre d’une ampleur exceptionnelle, tant dans le domaine des chronomètres de marine, des montres et pendules décoratives, des outils, des instruments de mesure scientifique que de l’édition, ayant publié des dizaines d’ouvrages et mémoires spécialisés, représentant plus de 4'000 pages et 120 planches gravées.

Les deux fils de Louis, Jean-Louis Berthoud (1793-1880) et Charles-Auguste Berthoud (1798-1876), poursuivent alors son œuvre, formés par Henri Motel, ancien élève de Louis Berthoud. Les deux frères fondent à Paris et à Argenteuil, sous le titre de « mécaniciens d’horlogerie nautique », une maison bien connue des navigateurs et des savants pour la précision irréprochable de ses chronomètres. Leurs garde-temps sont, dès lors, signés « Berthoud Frères ». Charles-Auguste Berthoud remporte une médaille d’argent à l’exposition des produits de l’industrie française en 1819. Il reçoit à nouveau cette distinction en 1823 et 1827, avant de remporter la médaille d’or en 1834, en 1844 et en 1849, accompagnée du titre de Chevalier de la Légion d’Honneur. Le 15 février 1876, Charles-Auguste Berthoud s’éteint à Paris. Sa production est estimée à environ 350 chronomètres de marine. Dès lors, plus aucun chronomètre de marine ne portera l’illustre patronyme des Berthoud.