Es graduà en medicina l’any 1948 a la Universitat de Toronto i l’any següent amplià estudis al Lister Institute de Londres. Després d’uns quants anys de residència a l’Hospital General de Toronto i altres centres sanitaris de la ciutat, el 1958 s’incorporà a l’Ontario Cancer Institute, creat aquest mateix any i dependent de la facultat de medicina de la Universitat de Toronto, on desenvolupà tota la seva carrera docent i científica. Juntament amb el biofísic James Till, contribuí de manera crucial a l’estudi, la identificació i la generació artificial, a les primeres etapes, de cèl·lules mare. A partir d’un estudi en ratolins sobre la sensibilitat a la radiació en les cèl·lules del moll de l’os, Till i McCulloch identificaren la formació de colònies de cèl·lules indiferenciades en la melsa i la seva capacitat de replicar-se i diferenciar-se. L’any 1963 publicaren els resultats d’aquestes investigacions en la revista Nature. A partir dels seus descobriments, els anys setanta se centrà en l’estudi de la leucèmia mieloide aguda.
L’any 1974 ingressà a la Royal Society del Canadà, i esdevingué president de l’Acadèmia de les Ciències d’aquesta institució. Fou editor del Journal of Cellular Physiology, a més d’ocupar altres càrrecs científics, acadèmics i tècnics. Rebé diversos premis en el camp científic, entre els quals destaquen el Gairdner Foundation International Award (1969) i l’Albert Lasker (2005), ambdós compartits amb James Till.