Estudià fisiologia, fisiologia animal i química a la Universitat d’Oxford, on es doctorà posteriorment en Bioquímica (1951). Es traslladà als Estats Units per a cursar un postdoctorat en química física a la Universitat de Wisconsin. Fou professor de Patologia i Medicina de laboratori a la Universitat de Carolina del Nord des del 1988. Orientà la seva recerca en trobar la manera efectiva d’aïllar i modificar gens específics. Teballà en col·laboració amb els científics genetistes Mario R. Capecchi i Martin Evans amb qui compartí el Premi Albert Lasker de Medicina Mèdica Fonamental (2001), pels descobriments sobre la recombinació homòloga, i el premi Nobel de medicina (2007), pel descobriment dels principis per a introduir modificacions genètiques en les cèl·lules mare de models animals. Altres guardons són el Premi O. Max Gardner (2002), el Premi Wolf de Medicina (2003) i el guardó anual de Medicina del Desenvolupament (2005) per a la investigació de les dianes genètiques.