Diderot er mest kjent for å ha ledet arbeidet med Den store franske encyklopedien. Først ble Diderot bedt om å oversette et engelsk leksikon, men det ble raskt et større prosjekt. Målet var at leksikonet skulle være helt fransk og inneholde all verdens kunnskap. Det skulle være skrevet på en måte som gjorde at de fleste kunne lese og lære av det, ikke bare de med høy utdannelse.
Leksikonet ble et felles prosjekt. Mange bidro til leksikonet, blant annet kjente filosofer som Voltaire, Jean-Jacques Rousseau, Montesquieu og eksperter fra ulike fag.
Leksikonet besto av 28 bind, og totalt 75 000 oppslagsord. Leksikonet fikk stor betydning i sin tid både for vitenskap og politikk. Det ble en stund forbudt av staten, fordi leksikonet også inneholdt kritikk mot staten og kirken.