Mentre cursava medicina, esclatà la Segona Guerra Mundial. El 1940 fugí a Anglaterra, on s’uní a De Gaulle, i com a metge militar, als aliats al Nord d’Àfrica i a França. Fou ferit greument, i després de la guerra obtingué la Creu de la Guerra i la Creu de l’Alliberament pels seus serveis en combat. El 1947 acabà els estudis de medicina, però les ferides de guerra l’obligaren a decantar-se per la recerca.
El 1950 s’incorporà a l’Institut Pasteur i el 1954 es doctorà per la Sorbona. A l’Institut Pasteur, on el 1956 fou nomenat director de laboratori i el 1960 cap del departament de genètica cel·lular, inicià una fructífera col·laboració amb Jacques Monod i André Lwöff, que portà a la descoberta d’un dels mecanismes essencials de la transmissió genètica: la distinció entre gens estructurals i gens reguladors. Posteriorment investigà també sobre el càncer. El 1964 ingressà al Collège de France, on es creà una càtedra de genètica cel·lular, i l’any següent obtingué el premi Nobel de medicina pels seus descobriments sobre la transmissió de la informació genètica, que compartí amb Monod i Lwöff.
Publicà, entre d’altres, La logique du vivant (1970), Le jeu des possibles, essai sur la diversité du vivant (1981) i l’autobiografia La statue intérieure (1987). Membre de l’Académie des Sciences (1977) i de l’Académie Française (1996), el 1982 fou investit doctor honoris causa per la Universitat de Barcelona.