蘭学者・坪井信道の孫として江戸に生まれた（父は信道の女婿、幕府奥医師坪井信良である）。1877年大学予備門に入り、1886年帝国大学理科大学動物学科卒業[1]。帝国大学大学院に進学し人類学を専攻、修了後の1888年帝国大学理科大学助手[1]。翌年より3年間イギリスに留学し、1892年10月帰国し帝国大学理科大学教授[1]。遠縁にあたる民間の研究家・林若樹がこの頃から助手として出入りする。同年蘭学者箕作秋坪の長女・直子と結婚。1899年理学博士号を授与された[1]。

日本の人類学の先駆者であり、日本石器時代人＝コロポックル説を主張したことで知られている。1903年の第5回内国勧業博覧会では学術人類館に協力した（詳しくは人類館事件を参照）。1913年、第5回万国学士院大会出席のため滞在していたロシア・ペテルスブルクで、急性穿孔性腹膜炎のため客死[2]。

人類学の創始者として鳥居龍蔵などを育てる。柳田国男と南方熊楠を結びつけ、また、三越のブレーン「流行会」メンバーとして玩具の開発でも功績を残した。