Graduada en botànica per la Florida State University (1956) i per la Duke University (1956), es doctorà el 1966 amb la tesi Phaeophyta of the Eastern Gulf of Mexico, publicada el 1969, aportació cabdal en el camp d’estudi de les algues. Posteriorment es dedicà sobretot a la recerca per a diverses institucions, entre d’altres la Universitat de Harvard. El 1970 liderà un equip exclusivament format per dones, insòlit per a l’època, en un experiment a les illes Verges sobre les condicions d’habitabilitat submarina (Tektite II), en què també comprovà els efectes de la pol·lució en els coralls. Els seus projectes posteriors, dedicats tant a la investigació com a la divulgació científica, estigueren patrocinats per la National Geographic Society, per a la qual també dirigí el programa Sustainable Seas Expeditions, i tingueren una gran repercussió en la presa de consciència popular de la necessitat de protegir els oceans. Ha estat també pionera en l’ús de l’escafandre autònom modern, i el 1979 baté el record d’immersió en aquesta modalitat en baixar a una profunditat de 381 m. Amb el seu tercer marit, Graham Hawkes, els anys vuitanta cofundà les companyies Deep Ocean Engineering i Deep Ocean Technologies, dedicades al disseny de vehicles submarins per a la recerca científica, entre els quals hi ha el Deep Rover, capaç d’immersions a més de 9.900 m de profunditat. En 1990-92 fou cap científic de la National Oceanographic and Atmospheric Administration, la primera dona en ocupar el càrrec. Creà la fundació Mission Blue (2009) amb l’objectiu d’establir àrees marines protegides. Ha obtingut, entre molts altres, els premis NOGI d’oceanografia (1976), TED de comunicació (2009), Carl Sagan de divulgació científica (2010), Rachel Carson de protecció del medi ambient (2017) i Princesa de Asturias de la concòrdia (2018).