Es doctorà el 1964 al Massachusetts Institute of Technology. Actualment és president i director del Fred Hutchinson Cancer Research Center de Seattle i professor de les facultats de ciències i de medicina de la Universitat de Washington. Estudià al llarg de més de 35 anys el cicle cel·lular, és a dir, el procés pel qual una cèl·lula creix, duplica els seus cromosomes i els separa per tal de distribuir-los de manera exacta entre les cèl·lules filles, durant el procés de divisió cel·lular. Aquests estudis li permeteren identificar més de cent gens que controlen la divisió cel·lular (gens del cicle de la divisió cel·lular o gens CDC). Un d’aquests gens, que ell anomena gen iniciador, actua en el control del primer estadi de cada cicle cel·lular. Hartwell descobrí també els gens revisors ( checkpoint genes), que tenen la funció de detectar els errors a l’ADN que es produeixen durant la reproducció cel·lular i aturar-la, perquè es puguin corregir abans que el cicle cel·lular continuï i evitar la creació de cèl·lules amb errors genètics que podrien provocar malalties. S'han relacionat alteracions d’aquests mecanismes de control amb diversos tipus de càncer. Hartwell ha rebut diversos guardons, com el premi Albert Lasker de recerca mèdica bàsica (1998). Conjuntament amb Paul Nurse i Timothy Hunt, li fou atorgat el premi Nobel de medicina i fisiologia l’any 2001 pels seus descobriments sobre la regulació del cicle de la reproducció cel·lular.