Graduat per la Universitat de Leiden (1927), anà als Estats Units el 1933 i s’incorporà al Lick Observatory de Califòrnia. Després de dos anys al Harvard College Observatory (1935-37), passà al Yerkes Observatory de la Universitat de Chicago, on romangué fins el 1960. Aquest any es traslladà a la Universitat de Tucson (Arizona) i hi fundà el Lunar and Planetary Laboratory, que dirigí fins a la mort, institució que ràpidament adquirí un gran prestigi i que tingué una notable influència en els programes de la NASA.
De les seves nombroses aportacions destaquen el descobriment (1945) de l’existència d’una atmosfera rica en metà a Tità, satèl·lit de Saturn, i dos anys després, la demostració de la presència de diòxid de carboni a l’atmosfera de Mart, bé que el 1956 en un altre estudi provà que els pols d’aquest planeta eren compostos sobretot de gel. L’any 1948 descobrí Miranda, satèl·lit d’Urà, i Nereida, satèl·lit de Neptú. En 1950-52 dirigí l’estudi fotomètric d’asteroides Yerkes-MacDonald, al qual succeí l’estudi Palomar-Leiden, que impulsà el 1961. Aquests anys fou un dels pioners de l’astronomia espacial per infraroigs. Desenvolupà també els estudis espectroscòpics del Sol, els astres i els planetes del sistema solar, i col·laborà amb la NASA en la localització de les zones d’allunatge per al programa espacial Apollo.
Fou autor d’una teoria sobre l’origen dels astres del sistema solar i feu estudis comparatius de les atmosferes de la Terra i dels altres planetes. En els últims anys de la seva vida es destacà en astronomia lunar i s’interessà de nou per problemes cosmològics. En el seu honor, el cinturó de Kuiper rep el seu nom (bé que anteriorment altres astrònoms n’havien predit l’existència).