Jean-François Piège voit le jour le 25 septembre 1970 à Valence, dans la Drôme. Son enfance est marquée par le décès précoce de son père, alors qu'il est âgé de 6 ans. Il grandit aux côtés de sa maman, coiffeuse, qui lui inculque le goût du travail bien fait et le sens de l'effort. Lors d'un déjeuner familial dans le restaurant valentinois de Jacques Pic (père de la chef Anne-Sophie Pic), l'adolescent a une révélation.
A 14 ans, il entre à l'école hôtelière à Tain-L'Hermitage et en sort major de promotion. En 1989, il fait ses armes au sein de la brigade du chef cuisinier Bruno Cirino à Eze, au château Eza. Rapidement, Jean-François Piège décide de quitter sa région natale pour s'installer à Paris. Il officie alors au Crillon sous la houlette de Christian Constant, puis en 1991, il effectue son service militaire dans les cuisines du palais de l'Elysée. En 1992, il entre au service d'Alain Ducasse. C'est le début d'une fructueuse collaboration qui va durer douze ans; après Le Louis XV à Monaco, il rejoint Paris en tant que chef de cuisine du restaurant le Relais du Parc (1996–2000), puis chef exécutif au Plaza Athénée (2000–2004). En 2004, il quitte son mentor pour prendre les commandes du restaurant Les Ambassadeurs de l'hôtel de Crillon.
En 2009, il délaisse l'univers des palaces pour se lancer dans une nouvelle aventure avec l'ouverture de son propre restaurant, une ancienne brasserie dans le 7e arrondissement de Paris, rebaptisée Thoumieux. L'année suivante, il ouvre son restaurant gastronomique éponyme à l'étage. L'univers Thoumieux s'agrandit avec l'Hôtel Thoumieux et l'inauguration en 2013 de la pâtisserie Gâteaux Thoumieux. Le chef cuisinier auréolé de récompenses – en 2011 il est élu chef de l'année et reçoit deux étoiles au Guide Michelin pour son restaurant gastronomique – poursuit son ascension avec l'ouverture d'un nouveau restaurant, plus intimiste, Clover, en 2014. En septembre 2015, c'est dans le 8e arrondissement de Paris, que le chef installe les cuisines du nouvel antre de la gastronomie ; Jean-François Piège / Le grand restaurant.
Chef cuisinier médiatique, après plusieurs participations à l'émission Un dîner presque parfait sur M6, il devient en 2010 l'incontournable membre du jury du concours de cuisine organisé par la chaîne, Top Chef. En juillet 2019, après dix saisons, il annonce son départ de l'émission Top Chef.
Côté vie privée, Jean-François Piège épouse Elodie en 2010, trois ans après leur rencontre au Crillon lors d'un entretien d'embauche. Fin août 2015, ils deviennent parents d'un petit garçon prénommé Antoine. Le 27 mars 2020, lors d'une interview sur LCI, il révèle que sa femme est enceinte. Le 15 juin 2020, il annonce sur Instagram la naissance de leur fille.