Graduat per la Universitat de Pennsilvània (1954), posteriorment treballà al Massachusetts General Hospital de Boston, i del 1955 al 1957, als serveis mèdics de l'exèrcit nord-americà a París. A partir d'aquest darrer any, desenvolupà la seva carrera acadèmica i científica des de la Rockefeller University, on es doctorà el 1960. Centrat en la immunologia, estudià les molècules dels anticossos mitjançant espectroscòpia de fluorescència de macromolècules. Entre d'altres, desxifrà amb aquest mètode l'estructura de la immunoglobulina. Aquests descobriments comportaren importants avenços en els camps del diagnòstic i la teràpia immunològics. Compartí el premi Nobel de fisiologia i medicina del 1972 amb Rodney R. Porter.
Posteriorment centrà el seu interès en l'estudi del cervell, especialment sobre la base neural de la consciència, recerca per a la qual fundà el Neurosciences Institute (1981), adscrit a la Rockefeller University, que el 1992 traslladà a l'Scripps Medical Center (Califòrnia). Sobre aquest tema desenvolupà una teoria que anomenà darwinisme neural, alguns aspectes de la qual han tingut una influència considerable en la neurociència actual. Sobre aquest tema públicà llibres per al públic general, com ara Bright Air, Brilliant Fire (1992) i Second Nature: Brain Science and Human Knowledge (2007).