Doctorat en física per la Universitat de Berkeley (1976), des del 1990 és professor d’humanitats i ciències a la Universitat de Stanford. Desenvolupà la tècnica d’alentiment dels àtoms mitjançant làser, anomenada refredament Doppler, per la qual rebé el premi Nobel de física del 1997, compartit amb D.Phillip i C.Cohen-Tannoudji. A banda, ha rebut altres distincions, entre les quals el premi Faisal de ciència (1993). Posteriorment ha fet aportacions a l’anàlisi de processos biològics a nivell molecular. S'ha posicionat públicament en favor del desenvolupament de les energies nuclear i alternatives per a combtare el canvi climàtic i reduir la dependència dels combustibles fòssils. Al gener de 2009 s’incorporà al govern demòcrata de Barack Obama en el càrrec de Secretari d’Energia.