Nato a Trapani da un'antica famiglia di origini spagnole, studiò presso il locale collegio dei Gesuiti che sorge ad appena un isolato dalla sua casa natale. Vestì poi l'abito della compagnia di Gesù che lo destinò alla provincia toscana. Mente eclettica, fu ingegnere idraulico (a lui si deve l'avvio della bonifica della Maremma toscana e del Padule di Bientina) e ingegnere civile (in Toscana esistono ancora strade realizzate secondo i suoi progetti). Nel 1765, durante i lavori di bonifica della Maremma grossetana, progettò la costruzione della Casa Rossa.

Come astronomo si occupò dello studio dell'obliquità dell'eclittica e restaurò lo gnomone di Santa Maria del Fiore, mentre come professore nell'università di Firenze tenne corsi di ingegneria idraulica.

Fu anche scrittore e membro di numerose accademie internazionali (Verona, Siena, Parigi, Pietroburgo). Il suo spessore scientifico e intellettuale era riconosciuto dai grandi del suo tempo, tant'è che il granduca di Toscana lo scelse come suo geografo e ingegnere.

Nel 1756 fondò a Firenze l'osservatorio astronomico di "San Giovannino" (o Osservatorio Ximeniano), cui dedicò gli ultimi anni della sua vita e che oggi, pertanto, porta il suo nome. È ancora oggi uno dei più importanti a livello europeo.