Estudià medicina i ciències naturals a les universitats de Poitiers i París. Es llicencià en ciències el 1955, treballà com a professor auxiliar de fisiologia de la Sorbona i el 1960 es doctorà. Durant la dècada de 1960 dugué a terme una intensa activitat al departament d’investigació vírica del Medical Research Council de Carshalton (Londres), a l’Institut de Virologia de Glasgow (Escòcia) i com a director de l’Institut du Radium, conegut més tard com Institut Curie. Fou cap de la unitat de virologia de l’Institut Pasteur de París (1972-2000), institució que dirigí (1991-97). Fou membre del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) des del 1960, del qual més tard esdevingué director emèrit de recerca.
Dedicat inicialment a la recerca oncològica, interessat especialment en els retrovirus, ell i el seu equip aïllaren el 1983 el virus de la immunodeficiència humana (VIH), causant de la sida. El microbiòleg nord-americà Robert Gallo arribà als mateixos resultats amb poc temps de diferència, cosa que originà una polèmica entre ambdós científics sobre l’autoria del descobriment. El 1993 creà la Fundació Mundial per a la Recerca i la Prevenció de la Sida, de la qual fou president. Nomenat cavaller de la Legió d’Honor el 1984, fou condecorat també amb l’orde Nacional del Mèrit (1985). El 2008, per la seva contribució a la identificació de la sida i el VIH, li fou atorgat el premi Nobel de medicina (compartit amb la seva col·laboradora Françoise Barré-Sinoussi i amb Harald zur Hausen). Des del final de la dècada de 2000 fou marginat de la comunitat científica per la seva defensa de teories sense base científica com l’anomenada memòria de l’aigua, de Jacques Benveniste, i el teletransport de l’ADN, i pel seu posicionament contra les vacunes, entre d’altres.