Graduat en medicina el 1960 per la Universitat Karl-Eberhard de Tübingen, el 1967 obtingué el doctorat per la Universitat de Wisconsin. El mateix any s’incorporà al laboratori de biologia cel·lular dirigit per George E. Palade de la Universitat de Rockefeller (Nova York), d’on el 1976 esdevingué professor, i el 1992 hi obtingué la càtedra John D. Rockefeller Jr. El 1980 obtingué la nacionalitat nord-americana. La seva contribució principal són els treballs de recerca sobre el funcionament de les proteïnes cel·lulars, en què demostrà que aquestes disposen de senyals que en determinen la localització dins la cèl·lula i la seva relació amb els orgànuls. El 1980 descobrí la successió específica d’aminoàcids d’aquests processos, i que es tracta d’un mecanisme universal present en llevats, plantes i cèl·lules animals. Les proteïnes sovint situades en un dels extrems, marquen la sortida per la membrana del reticle endoplasmàtic on s’ha sintetitzat, de manera que assenyalen, específicament, tant el destí com el camí per a arribar-hi. Diverses malalties hereditàries, com la hipercolesterolèmia familiar i la fibrosi quística humanes, són provocades per errors en aquests signes i mecanismes de transport. Aquests descobriments, afegits a la tecnologia de l’ADN recombinant, s’apliquen a la producció de fàrmacs proteics com la insulina, l’eritropoetina o l’interferó. Per aquestes aportacions rebé, entre d’altres, els premis Louisa Gross Horowitz (1987), Albert Lasker (1993) i el Nobel de medicina (1999).