Després d’intentar sense èxit estudiar a Princeton, on fins el 1975 no foren admeses les dones, cursà un màster de física a la Universitat de Cornell (1951) i es doctorà a la Universitat de Georgetown (1954) amb una tesi sobre la distribució de les galàxies. El 1964 s’incorporà a la Carnegie Institution of Washington, on desenvolupà la seva carrera. A través d’observacions obtingudes amb l’espectrògraf, el 1974 constatà diferències en la velocitat de desplaçament de les estrelles als límits de les galàxies respecte als valors observats en les estrelles visibles. Aquest descobriment posà les bases de la teoria de la matèria fosca.
Membre de l’Acadèmia Americana d’Arts i Ciències (1983), li foren conferides nombroses distincions, entre les quals destaquen la National Medal of Science (1993), la Medalla de la Royal Astronomical Society (1996), el premi Gruber de cosmologia (2002) i la Medalla James Craig Watson (2004).