Fils de François Joseph Payot (1821-1876), tourneur sur bois, et de Marie Élisabeth Bossonney (1833-1885), négociante, vendeuse, de leur union célébrée le 15 octobre 1850 à Sallanches naît Jules Antoine Payot le 10 avril 1859 à Chamonix en Haute-Savoie.
Jules Payot est issu d'une ancienne famille paysanne de Chamonix. Son père, François, est tourneur sur bois, et sa mère, Marie, vend les objets fabriqués par son époux aux touristes dans sa petite boutique. Le jeune Jules passe son enfance à Chamonix, ville qui sous le Second Empire connaît un important développement touristique après l'annexion de 1860.
Envoyé en pension au collège communal de Bonneville où il entre à l'âge de 10 ans (1869), Jules est un très bon élève. Baccalauréat ès lettres, boursier de licence à la faculté des lettres de Grenoble (1877-1879), il revient pendant les vacances à Chamonix et travaille aux champs. Licence ès lettres ; boursier d'agrégation à Paris (1884-1886) ; agrégation de philosophie (1888) ; docteur ès lettres (1896).
Le 4 octobre 1879, Jules Payot débute sa carrière au collège de Privas. Il enseigne ensuite dans différents collèges et lycées, dont le collège de Gap (1880), puis au lycée Charlemagne (1881). Le 9 février 1883 il est professeur de philosophie et de littérature au collège d'Étampes. Le 4 mai 1895, Jules Payot est nommé inspecteur d'académie de l'Ardèche à Privas, puis inspecteur d'académie à Châlons le 17 septembre 1898. Figure de premier plan dans l'enseignement laïque, il est nommé recteur de l'académie de Chambéry le 11 octobre 1902 et d'Aix-en-Provence le 5 novembre 1907 jusqu'au 5 octobre 1922.
Auteur d'ouvrages de philosophie morale et de manuels à succès à destination des éducateurs, il est aussi le défenseur d'une laïcité militante. En 1894, il publie L'Éducation de la volonté, un classique des écoles normales et des milieux éducatifs. Dans La Faillite de l'enseignement en 1937, il y dresse avec amertume le constat d'échec d'une institution à laquelle il a consacré toute sa vie. Jules Payot a été l'un des maîtres à penser des instituteurs publics des années 1895-1914. Il déploie pendant environ vingt ans une intense activité, multipliant les visites d'établissements, pratiquant dans les classes des expériences pédagogiques avec les maîtres. Il est aussi l'auteur de plusieurs ouvrages professionnels destinés à former les convictions morales et civiques des instituteurs. Certains de ses ouvrages connaissent des tirages exceptionnels pour l'époque. En 1931, L'Éducation de la volonté en était à sa 44e édition, avec près de 60 000 exemplaires et le livre avait été traduit en quinze langues.
Le 3 octobre 1888 à Paris, Jules Payot épouse Clémentine Caillet, née le 25 juillet 1861, et décédée le 20 février 1940.
Jules Payot meurt le 30 janvier 1940 à Aix-en-Provence à 80 ans.