Els seus pares havien emigrat durant la Primera Guerra Mundial a la Gran Bretanya, on nasqué, i, acabat el conflicte, tornaren a Bèlgica. Graduat en medicina a la Universitat Catòlica de Lovaina (1941), en esclatar la Segona Guerra Mundial fou metge militar a l’exèrcit belga. Posteriorment, escapà de l’exèrcit alemany i tornà a la Universitat de Lovaina, on estudià química i obtingué el doctorat l’any 1945. Al mateix temps, fou metge internista a l’Institut del Càncer de la universitat.
En 1945-47 anà a Suècia i als Estats Units, on amplià estudis de bioquímica. Professor (1947) i catedràtic de fisiologia química a la Universitat de Lovaina del 1951 al 1985, que esdevingué emèrit, compaginà aquest càrrec amb el de professor a la Universitat Rockefeller de Nova York (1962-88). L’any 1974 fundà a Brussel·les l’Institut Internacional de Patologia Cel·lular i Molecular, del qual fou president fins el 1991.
Centrà la seva recerca en la identificació dels components de la cèl·lula a través de les tècniques de centrifugació desenvolupades per Albert Claude, i descobrí els lisosomes i la seva funció de degradació de les toxines i de les parts de la cèl·lula envellides o defectuoses, descobriments que tingueren una gran importància en la diagnosi i el tractament d’alteracions genètiques com la malaltia de Tay-Sachs. Per aquesta aportació compartí el premi Nobel de medicina i fisiologia del 1974 amb George Emil Palade i Albert Claude.
Investigà també a l’entorn de la insulina i al final de la seva vida escriví diversos llibres de divulgació sobre la seva especialitat i sobre l’origen i l’evolució de la vida: A guided tour of the living cell (1984), Blueprint for a cell: The nature and origin of life (1991), Vital dust: Life as a cosmic imperative (1995), Génétique du péché originel: Le poids du passé sur l’avenir de la vie (2009), etc.
Morí després de sol·licitar que hom li practiqués l’eutanàsia, legal a Bèlgica.