Steinheil besuchte eine Privatschule und erhielt eine umfassende Bildung in Frankreich. Er studierte an der Universität Erlangen. Nach seiner Promotion 1825 befaßte er sich mit astronomischen und physikalischen Arbeiten. Er gab die "Berliner akademische Sternkarte" heraus. Seit Anfang der dreißiger Jahre lebte er in München. 1832 war er Professor für Physik und Mathematik der Universität München. Nach Veröffentlichung seiner Arbeit "Elemente der Helligkeitsmessungen am Sternhimmel" wurde er Mitglied der Münchener Akademie. 1846 wurde er von der neapolitanischen Regierung zur Regulierung des Maß- und Gewichtssystems berufen. 1849 bis 1851 richtete er für die Kronländer Österreichs ein nahezu komplettes Telegraphensystem ein, 1850 Gründer des Deutsch-Österreichischen Telegraphenvereins. 1851 folgte die Einrichtung des Telegraphenwesens in der Schweiz, 1852 die Rückkehr nach München als Ministerialrat im Handelsministerium, 1854 die Gründung einer optischen Werkstätte. Steinheil konstruierte zahlreiche optische Geräte: Er gilt als Begründer der elektromagnetischen Telegraphie, konstruierte 1836 den ersten Drucktelegraphen, baute 1837 die erste Telegraphen-Leitung zwischen München und Bogenhausen und stellte 1838 die ersten galvanischen Uhren, ab 1865 fotographische Objektive her.