Màster en medicina per la Universitat de Stanford (1964), el 1965 s’incorporà a l’Scripps Clinic and Research Foundation de La Jolla (Califòrnia), on, llevat del període 1968-70, que treballà al Wistar Institute de Pennsilvània, desenvolupà la seva activitat científica, i del qual fou director (1987-2012).
Centrà la seva recerca en la confluència interdisciplinària de la immunologia, la bioquímica i la biologia molecular, que li permeteren obtenir les anomenades “biblioteques d’anticossos" mitjançant la tècnica anomenada phage display, que donaren lloc a la generació artificial d’anticossos a partir de la clonació de bacteriòfags. Obtingué també anticossos monoclonals amb activitat catalítica (abzims).
La seva tasca científica fou reconeguda amb nombrosos guardons: premi Humboldt d’investigació (1994), premi Wolf (1994, compartit amb Peter G. Schultz), premi William B. Coley (1999), premi Paul Ehrlich (2003, compartit amb Peter G. Schultz) i premi Príncipe de Asturias 2012 d’investigació científica i tècnica (compartit amb Gregory Winter).