Graduat per la Universitat de Columbia (1966) obtingué el Màster en medicina i cirurgia. Després d'un any de residència, de 1968 a 1970 fou investigador associat del National Institutes of Health. Posteriorment completà la residència a l'Hospital General de Massachusetts i s'especialitzà en malalties cardiovasculars l'any 1973, que s'incorporà com a professor associat al Duke University Medical Center fins el 1977, que fou nomenat titular i el 1982 catedràtic. Des del 1976 és investigador al Howard Hughes Medical Institute.
La seva recerca se centra en els receptors adrenèrgics i, molt especialment, en els receptors acoblats a les proteïnes G, que operen a través de les membranes cel·lulars, i que activen els senyals químics entre cèl·lules que possibiliten la transmissió hormonal i neuronal en la majoria dels processos fisiològics. Per aquestes investigacions ha rebut nombroses distincions, entre les quals el Gairdner Foundation International Award (1988), el premi Jessie Stevenson Kovalenko de l'Acadèmia Nacional de Ciències (2001), la Medalla Nacional de les Ciències dels EUA (2007), el premi de l'Associació Cardiovascular dels EUA (2009) i el Premi Nobel de Química (2012), compartit amb Brian Kobilka, que fins el 1989 formà part del seu mateix equip a la Universitat de Duke.