Graduat en física per la Universitat d’Edimburg (1966) i doctorat en biologia molecular per la de Cambridge (1969). Després d’una estada postdoctoral a la Universitat de Yale (1970-73), el 1973 s’incorporà al laboratori de biologia molecular del Medical Research Council, a la Universitat de Cambridge, on s’ha dedicat a la recerca d’estructures cel·lulars a partir de millores en el microscopi electrònic, com ara la primera imatge de la bacteriorodopsina, proteïna de la membrana dels halobacteris (1990), en la qual s’identificaven individualment els àtoms que la formaven. Per aquesta i altres contribucions, el 2017 rebé el premi Nobel de química, compartit amb Jacques Dubochet i Joachim Frank.