Es doctorà a la Universitat de Milà (1958), on fou professor ajudant fins el 1956, que marxà als Estats Units, on fou professor a les universitats d’Indiana i Princeton. El 1959 s’incorporà a l’American Science & Engineering Inc de Cambridge (Massachusetts), empresa de la qual fou vicepresident. El 1973 passà a ser vicedirector del departament d’astrofísica d’altes energies del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics de Cambridge i fou també professor d’astronomia a la Universitat de Harvard. Posteriorment fou director del Space Telescope Science Institute de la Universitat Johns Hopkins de Baltimore (Maryland) (1981-91), professor de física i astronomia a la Universitat de Milà (1991-99), director general de l’Observatori Europeu Austral de Garching bei München, a Baviera, Alemanya (1993-99) i, a partir del 1999, president de Associated Universities in Washington, D.C. i professor de recerca a la Universitat Johns Hopkins. Fou pioner en el disseny i la posada en marxa dels primers detectors i telescopis de raigs X, aparells amb els quals descobrí per primera vegada una font fora del sistema solar, i demostrà que la radiació de fons de l’Univers conté raigs X. Els seus treballs i instruments han contribuït de manera decisiva a donar una visió molt més detallada de l’Univers. Per aquestes investigacions rebé el premi Nobel de física el 2002, compartit amb Raymond Davis i Masatoshi Koshiba. Rebé també, entre altres guardons, el premi Wolf de física (1987) i la Medalla Nacional de la Ciència dels Estats Units (2003).