El 1895 es doctorà a la Universitat de Colúmbia. Després d’haver estudiat els fenòmens de la descàrrega elèctrica en gasos, verificà l’equació fotoelèctrica d’Einstein i avaluà la constant de Planck. Treballà en diverses branques de la física, com les radiacions ultraviolades i l’estructura atòmica, i fou un dels capdavanters en l’estudi dels raigs còsmics, que inicià el 1918. És famós especialment pel fet d’haver dut a terme una sèrie d’experiències que li permeteren de calcular la càrrega de l’electró. Fou professor de física a la Universitat de Chicago i director del laboratori Norman Bridge del 1921 al 1926. L’any 1923 rebé el premi Nobel de física.