Es doctorà en química a la Universitat de Standford. És professor de química a l’Institut Scripps de Recerca de La Jolla.
En un treball paral·lel al de les hidrogenacions asimètriques de W.S. Knowles i R. Noyori, desenvolupà uns catalitzadors quirals per a reaccions d’oxidació. En la reacció s’utilitza com a catalitzador un compost quiral de titani (IV) que permet l’epoxidació d’alcohols al·lílics amb una estereoselectivitat excel·lent. També ha desenvolupat un procés catalític per a dihidroxilacions asimètriques. Els seus treballs posaren les bases, l’any 2000, de l’anomenada química del clic, amb la qual es formen nous compostos (materials, fàrmacs, etc.) de manera ràpida per la combinació d’elements moleculars més petits.
L’any 2001 fou guardonat amb el premi Wolf de química, juntament amb H.B. Kagan i R. Noyori. Rebé el premi Nobel de química el 2001, juntament amb Knowless i Noyori, i el 2022, compartit amb Carolyn R. Bertozzi i Morten Meldal.