Graduat en física el 1947 pel Columbia College i doctorat en física nuclear el 1952 per la Universitat de Cornell, del 1942 al 1945 treballà al Columbia Radiation Laboratory, durant el servei militar. El 1952 s’incorporà als laboratoris Bell, on desenvolupà la major part de la seva carrera científica fins el 1991. Investigà sobre microones, òptica no lineal i trampes de làser. Amb el seu equip fou el primer a observar generació harmònica d’ones làser contínues, amplificació paramètrica d’ones contínues i l’efecte fotorefractiu. La seva aportació principal és el descobriment d’un sistema de manipulació de la matèria aprofitant una propietat del làser anomenada pressió de radiació, sistema conegut amb el nom de pinces òptiques, utilitzat sobretot en l’estudi d’organismes microscòpics (bacteris, cèl·lules i els seus components, i virus). D’entre les seves publicacions sobresurt Optical Trapping and Manipulation of Neutral Particles Using Lasers (1997).
Fou membre de diferents institucions acadèmiques (National Academy of Engineering, 1984; National Academy of Sciences, 1996; The Optical Society, 2009). Rebé el premi Harvey de l’Institut de Tecnologia d’Israel (2004) i el premi Nobel de física (2018), compartit amb Gérard Mourou i Donna Strickland.