Graduat en química per la Universitat de Minnesota i màster en medicina per la Universitat de Yale. Després d'exercir com a internista resident a la Washington University School of Medicine de Saint Louis, a mitjan anys vuitanta s'incorporà a l'equip de recerca de Robert Lefkowitz de la universitat de Duke. En 1987-2003 fou investigador al Howard Hughes Medical Institute. Des del 1989 desenvolupa la seva carrera científica i docent a la universitat de Stanford.
L'any 2009 fundà l'empresa biomèdica ConfometRx. La seva aportació principal és el descobriment de l'estructura dels receptors adrenèrgics acoblats a la proteïna G, fonamental per a entendre la transmissió de senyals entre cèl·lules i, per extensió, les bases de les funcions hormonals i neurològiques Per aquesta contribució ha rebut reconeixements com ara el premi Abel de farmacologia de l'American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics (1994) i el premi Nobel de Química (compartit amb Robert Lefkowitz) l'any 2012. L'any 2011 ingressà a l'Acadèmia Nacional de Ciències dels EUA.