Segundo hijo de una influyente familia navarra, nace en 1553, en el señorío de Guenduláin. Sus padres, Carlos de Ayanz y Catalina de Beaumont, estaban emparentados con los reyes de Navarra. Capitán de la guardia de Pamplona, el padre participó activamente en la batalla de San Quintín y fue nombrado Montero Mayor del reino, lo que posibilitó la educación de Jerónimo como paje real y probablemente influyó en su vocación militar.
Ya desde su infancia destacaba en los juegos por su habilidad y, sobre todo, por su fuerza física. En el coro de la iglesia sobresalía por su voz y su oído musical. También la inteligencia del pequeño Ayanz impresionó a sus educadores: tenía una magnifica disposición para la aritmética, el latín y el dibujo. Como segundo hijo no podía aspirar al gobierno del señorío, pero su padre, que había sabido conquistar el favor del rey, iba a destinarlo a un alto servicio, empezando por un puesto muy apreciado para un joven de la nobleza, el de paje real.
En 1567, con catorce años, acompaña a su padre, montero mayor, a la corte. Felipe II lo toma como paje real. Hasta la muerte del monarca, Jerónimo permanecerá a su servicio.
Ese mismo año es nombrado arquitecto e ingeniero real Juan de Herrera, con el que Jerónimo participaría en algún proyecto. Juan de Lastanosa era el maquinario mayor, encargado de revisar los ingenios que eran presentados al rey para obtener privilegios. Los ingenios eran construidos en Toledo por Juanelo Turriano. De ellos y de otros ingenieros y científicos llegados a la Corte madrileña para obtener los favores del rey, aprendería el joven Ayanz los principios básicos de la tecnología. Muchos fueron los inventores cuyos modelos se guardaban en el Alcázar Real de Madrid; sin duda, nuestro protagonista debió de conocer estos modelos, que pudieron inspirar sus futuras invenciones.
Jerónimo recibió la más esmerada educación, pues los pajes se instruían junto a los infantes y los jóvenes nobles de la Corte. Estudiaban las letras y las artes y se ejercitaban en la milicia y el manejo de las armas. Era fundamental el estudio de las matemáticas: un cosmógrafo dirigía una escuela especial en la que se enseñaban aritmética, álgebra, geometría, astronomía, cosmografía, náutica, fortificación, artillería, arquitectura e ingeniería. Aunque el joven Jerónimo de Ayanz sobresalía en todas estas disciplinas, por lo que más llamaba la atención era por su extraordinaria fuerza física, que Lope de Vega, coetáneo suyo, atestiguó en varios de sus escritos.
En 1571, cumplidos los dieciocho años y siguiendo los pasos de su padre, emprende la carrera militar. Después de un periodo de formación en el ejército, Jerónimo participó por primera vez en una acción de guerra a los veinte años: fue contra los turcos, en La Goleta, una fortaleza cercana a Túnez que finalmente caería en poder otomano. Fracasada esta empresa, Jerónimo de Ayanz es enviado a Lombardía, donde pudo conocer las obras de ingeniería desarrolladas por los italianos y los progresos de la ciudad de Milán. Pero las tropas de Lombardía al mando de Farnesio, son enviadas a Flandes, una zona cuya conflictividad aumentaba día a día. Allí obtiene Jerónimo de Ayanz fama por sus grandes hazañas, como el asalto a la ciudad de Zierikzee, donde siguió luchando hasta deshacerse de sus atacantes pese a haber sido gravemente herido. A los veinticinco años tras adquirir gran notoriedad en la corte por su admirable valor, es recompensado por Felipe II, que le dota con rentas que irán incrementándose con los años.
Tras un descanso en Madrid, y a pesar de estar convaleciente de las heridas recibidas en Flandes, debe reincorporarse a la vida castrense; el rey Sebastián de Portugal ha muerto y Felipe II decide ejercer su derecho a ocupar el trono del país luso. El 13 de junio de 1580 un ejército de 47.000 hombres al mando de Sancho Dávila, entre los que se encontraba Jerónimo de Ayanz, capitaneando un destacamento que había reunido a su costa, desfila en una parada militar en Badajoz. Días después las tropas españolas cruzan la frontera portuguesa y rinden numerosas plazas: Lisboa es tomada en agosto tras una dura lucha en la que destaca la acción de Jerónimo de Ayanz. La campaña portuguesa acabó con la rendición de la isla de Terceira, donde permanecía Antonio de Crato apoyado por franceses.

De Ayanz es nombrado caballero de la orden de Calatrava en marzo de 1580; el 7 de mayo de 1582 recibió la encomienda de Ballesteros, y la de Abanilla en 1595: sus encomiendas llegaron a rentar casi un millón de maravedíes.
Tras la campaña portuguesa, solicitó al rey un nuevo destino como general de una flota en el viaje a América o mandar una compañía de hombres de armas en Flandes, Italia o donde se le requiriese, petición que no le fue concedida. Posteriormente intentó obtener el cargo de Tesorero Mayor del Reino de Navarra, que también se le denegó.
A los treinta y un años, por mediación de un tío suyo, Jerónimo de Ayanz inició los trámites para contraer matrimonio con Blanca Dávalos Pagán y Aragón, que pertenecía a una importante familia murciana. En diciembre de 1584 recibe la dispensa del rey para poder casarse e inmediatamente se celebró la boda. La esposa de Ayanz murió poco después sin haber tenido descendencia. Jerónimo de Ayanz solicitó entonces una nueva dispensa real para casarse con su cuñada, Luisa Dávalos; el permiso de matrimonio lo recibió el 30 de agosto de 1586 y la boda se celebró poco después. Luisa acompañó a su marido en las residencias que ocuparon en Murcia, Martos, Madrid y Valladolid. Tuvieron cuatro hijos, pero todos ellos fallecieron muy jóvenes.
En 1587, de Ayanz es nombrado regidor perpetuo de Murcia, donde desarrolló un importante papel como constructor de torres de vigilancia y en la defensa de los intereses de esta ciudad, aprovechando sus frecuentes estancias en la corte.
En 1588 protagonizaría una nueva gesta militar frente a las tropas inglesas. Después del fracaso de la Armada Invencible, los ingleses enviaron una expedición contra las costas portuguesas que no excluía el saqueo de las poblaciones gallegas. Apenas se enteraron los coruñeses de estas intenciones se prepararon para su defensa, para la que solicitaron ayuda al rey. De todas las partes de España llegaron refuerzos, incluida una compañía formada por murcianos y navarros comandada por Jerónimo de Ayanz y su hermano, Francés de Ayanz. Finalmente, se logró repeler a las tropas inglesas en La Coruña, tras una dura batalla en la que destacó la célebre María Pita.
En 1595 es nombrado gobernador de Martos (Jaén), donde la orden de Calatrava tenía importantes intereses. Permaneció en el cargo hasta 1597.
Tras la muerte en 1597 del antiguo administrador general de las minas españolas, Carlos Gedler, Felipe II ordena al presidente de la Contaduría Mayor de Hacienda nombrar a una persona “práctica y de experiencia, ciencia, conciencia”. El elegido fue Jerónimo de Ayanz, que tuvo que trasladarse de nuevo a Madrid. Poco después, partió en un duro viaje de casi dos años a las regiones mineras del sur. Ayanz tuvo que realizar la mayor parte del recorrido a pie o lomos de una mula, y visitó quinientas cincuenta minas, introduciéndose en ellas, tomando muestras y realizando ensayos con apenas ayudantes. En una de estas pruebas falleció su mejor discípulo, Florio Sobrano, por inhalación de gases tóxicos, y el propio Ayanz, que dirigía los trabajos, sufrió una grave intoxicación.
En marzo de 1599 regresa a Madrid. El año anterior había muerto su protector Felipe II, y gobernaba su hijo, Felipe III, menos interesado en asuntos técnicos y científicos. Ayanz eleva al rey un extenso memorial de su inspección de las minas, denunciando las causas del mal funcionamiento de la minería española, como la escasa iniciativa privada, una legislación farragosa, la poca preparación técnica de los mineros, la deficiencia de las infraestructuras y la aplicación de una maquinaria rudimentaria. Jerónimo de Ayanz propuso una serie de medidas económicas, legislativas y tecnológicas concretas: liberalización económica de las explotaciones, reducción de los impuestos, mejora de la maquinaria y simplificación de la legislación. Estas medidas no son bien vistas por la clase nobiliaria española, que le considera un traidor a sus intereses. Ayanz no se limitó a elaborar este informe, sino que también buscó nuevos yacimientos, ensayó procedimientos metalúrgicos novedosos (entre los que destaca el uso de cobre como catalizador en el amalgamamiento de la plata) y desarrolló ingenios como la máquina de vapor que serviría para desaguar las minas y diversos hornos.
En 1604 abandona el cargo de administrador general, aunque su interés por la minería se mantiene: siguió investigando e incluso creó varias compañías para la explotación de minas.
En el año de 1601 la corte se traslada a Valladolid a instancias del duque de Lerma, valido de Felipe III. Jerónimo de Ayanz como criado del rey tiene que tiene que acompañar al monarca. En los pocos años que residió en la ciudad del Pisuerga, Ayanz ocupó cinco casas: dos en la calle de las Cadenas, una en Teresa Gil, otra la Pasión y finalmente otra en la calle de Panaderos. Esto nos da idea de la dificultad para encontrar vivienda en una ciudad saturada por la llegada de numerosas personas a la corte. Esta estancia en Valladolid fue el periodo más creativo del caballero. Montó un taller que, a juzgar por los privilegios de invención obtenidos, le convierte en el mayor genio creativo que habido en este país, comparable a otros grandes hombres como Leonardo da Vinci o Edison. El primer privilegio de invención que solicita le será concedido el 16 junio de 1603, y corresponde a un grupo de 18 ingenios.
En marzo de 1602 recibe la visita de los doctores Juan Arias de Loyola y Julián Ferrofino, dos de los científicos más prestigiosos de la corte. La admiración de estos eruditos por lo que vieron en la casa de Ayanz quedó plasmada en el amplio informe que elevaron al monarca. Nunca habían visto cosa semejante: balanzas de precisión, hornos de todo tipo, máquinas capaces de desarrollar múltiples trabajos industriales, algunas movidas por la energía del fuego… En una de las salas, notaron que salía aire fresco de un ramillete de flores, invento que anticipaba el aire acondicionado, tan popular hoy en día.
Ferrofino y Arias de Loyola examinaron también un cuaderno de notas en el que se exponía el funcionamiento de las máquinas, y concluyeron que todas estaban basadas en métodos rigurosamente científicos. Entre los ingenios que vieron los doctores había equipos para bucear que no pudieron probar en ese momento. Felipe III sintió curiosidad por ellos y dispuso una prueba pública que se llevó a cabo con éxito en agosto de 1602 en el río Pisuerga. Durante su estancia en Valladolid, Jerónimo de Ayanz siguió trabajando en su taller, desarrollando nuevos ingenios y mejorando los que tenía. El 20 de junio de 1605 obtiene una cédula de privilegio por veinte años para utilizar sus equipos subacuáticos en las Américas con el objetivo de sacar perlas y rescatar mercancías de pecios.
En 1606 se traslada nuevamente con la corte a Madrid, donde residirá en la calle de Fuencarral. El 1 de noviembre de 1606 el rey firma un privilegio por más de cincuenta inventos, que suponen un hito en la historia de la tecnología por el contenido anticipador de algunas de estas invenciones.
Desde su regreso a Madrid, Jerónimo de Ayanz crea varias compañías: una para explotar las perlas de la isla Margarita (Venezuela) que resultó un fracaso, y varias compañías para extraer minerales, principalmente plata. En 1608 registró una mina en una sierra cercana a El Escorial, que generó poca producción. En 1611 formó una compañía para extraer plata de Guadalcanal (Sevilla), donde empleó la máquina de vapor para desaguar las galerías.
Su genio creativo no se detuvo con la obtención de los privilegios de invención: siguió trabajando es diversos ingenios, aunque no tenemos información de la labor realizada en sus últimos años; también participó en la discusión sobre los nuevos métodos para determinar la longitud en alta mar, proponiendo uno nuevo, tal como se refleja en la carta enviada a Juan de Acuña. De los textos recogidos por Fernández Navarrete se desprende que el Comendador debió proponer nuevos ingenios, o bien que la Armada española utilizase los ingenios que ya habían obtenido privilegio, cosa que no sucedió.
A estas habilidades de Jerónimo de Ayanz habría que añadir la pintura, según se desprende del libroArte de la pintura(1646) de Francisco Pacheco, en el que destaca su capacidad. También prueba su interés por esta arte el hecho de que propusiera al duque de Lerma en 1603 la creación de una academia y museo en Valladolid para examinar a los pintores que quisieran ejercitar este oficio, y la fundación de una escuela para formar a los pintores. Esta academia, que hubiera reunido y expuesto las magníficas pinturas y esculturas que había en la corte española, fue un intento por crear lo que después sería el museo del Prado. Por si fuera poco, era aficionado a la música, y tenía notables aptitudes para el canto y la composición musical: según los testimonios de la época,“tenía este caballero una poderosa voz de bajo, y a más de cantor excelente, fue compositor de mucho numen”.
Jerónimo de Ayanz murió el 23 de marzo de 1613, en Madrid, tras una larga enfermedad. Contaba sesenta años de edad. Su fortuna fue legada por su mujer y uno de sus sobrinos, Jerónimo de Ayanz y Javier, que sin embargo no heredó la iniciativa inventora de su tío, lo que motivó que toda la labor de Ayanz quedase relegada al olvido durante siglos. Así ha permanecido hasta hace unos años, en que, gracias sobre todo al trabajo de Nicolás García Tapia, hemos podido conocer la obra de este prolífico y genial hombre.
Ayanz inventó muchas cosas: una bomba para desaguar barcos, un precedente del submarino, una brújula que establecía la declinación magnética, un horno para destilar agua marina a bordo de los barcos, balanzas “que pesaban la pierna de una mosca”, piedras de forma cónica para moler, molinos de rodillos metálicos (se generalizarían en el siglo XIX), bombas para el riego, la estructura de arco para las presas de los embalses, un mecanismo de transformación del movimiento que permite medir el denominado “par motor” es decir, la eficiencia técnica, algo que sólo siglo y pico después iba a volver a abordarse. Hasta 48 inventos le reconocía en 1606 el “privilegio de invención” (como se llamaba entonces a las patentes) firmado por Felipe III. Uno de los inventos más llamativos fue el de un traje de buceo. La primera inmersión de un buzo documentada ocurrió en el río Pisuerga, en Valladolid, y el propio Felipe III asistió al acontecimiento desde su galera, junto con miembros de la corte.