Investigador (1941-61) al National Institute for Medical Research, on desenvolupà el cromatògraf de gasos de captura d’electrons, que feu possible la detecció de clorofluorocarburs (CFC) i altres gasos presents en petites quantitats en l’atmosfera. El 1961 fou cridat per la NASA per a planificar experiments adreçats a detectar vida a Mart. Inicià, així, els seus estudis comparatius de les atmosferes dels planetes propers que el portaren, d’una banda, a negar la possibilitat que hi hagués vida a Mart o a Venus, i d’una altra, a formular la hipòtesi —anomenada hipòtesi Gaia— que la composició de l’atmosfera la Terra, la temperatura de la superfície terrestre i el potencial redox i el pH dels sediments són regulats activament per l’activitat dels éssers vius en conjunt de manera que les condicions que fan possible la vida es mantinguin. Publicada inicialment en el seu llibre Gaia. A new look at life on Earth (1979), la hipòtesi Gaia ha estat desenvolupada posteriorment amb la participació d’altres científics i, bé que discutida, ha estat font d’inspiració per als estudis d’ecologia a l’escala de tot el planeta i per a la reflexió sobre el paper de l’espècie humana en les transformacions de la biosfera.
Entre altres distincions, fou guardonat amb el premi Heineken de ciències ambientals (1990) i amb la Medalla Wollaston (2006).