Després de la Segona Guerra Mundial, la seva família emigrà a Austràlia, on fou bibliotecari de la Universitat de Nova Gal·les del Sud, a Sydney. Interessat des de molt jove en la psicologia, les ciències del comportament i la neurologia, una estada a Nova York com a bibliotecari li permeté deixar aquesta ocupació i estudiat psicologia a la Universitat de Nova York, on obtingué el doctorat el 1953. El 1961 s’incorporà al Massachusetts Institute of Technology (MIT), on creà el Laboratori de Desenvolupament Neurobiològic, que l’any 1968 traslladà a la Universitat de Purdue (Indiana), on amb la seva dona, Shirley A. Bayer, dirigí l’equip que dugué a terme recerca en neurobiologia fins que es jubilà, l’any 1995.
Com a investigador independent del MIT, el 1965 publicà un article en què descrivia la generació de teixit nerviós en el bulb olfactori de ratolins adults emprant la tècnica de l’autoradiografia, descobriment que contradeia la idea aleshores prevalent que, a diferència d’altres teixits, en l’adult no existia generació de noves neurones. Aquest article i els resultats posteriors de recerques en el mateix sentit foren en conjunt ignorats pels especialistes fins que els anys noranta començaren a ser acceptats. Al final de la primera dècada del segle XXI hom n’havia admès la plena validesa.
Per aquests descobriments, l’any 2011 li fou concedit el premi Príncipe de Asturias de les ciències (compartit amb Arturo Álvarez-Buylla i Giacomo Rizzolatti).