Graduada en enginyeria mecànica i aeroespacial per la Universitat de Princeton (1979) i doctorada en enginyeria química per la Universitat de Califòrnia a Berkeley (1985), després de completar cursos de postdoctorat, el 1986 s’incorporà al California Institute of Technology, on ha dut a terme la seva carrera acadèmica i científica. Ha esdevingut una pionera en la branca de l’enginyeria genètica coneguda amb el nom d’evolució dirigida, consistent en la simulació dels processos de selecció natural a través de la manipulació de proteïnes, especialment les que formen els enzims. Ha orientat les seves recerques cap al desenvolupament de tecnologies i productes industrials que no siguin nocius per al medi ambient. Cofundadora de les empreses Gevo (2005), dedicada als biocombustibles i els productes químics a partir d’energies renovables, i Provivi (2013), per al desenvolupament de biopesticides, ha desenvolupat més de quaranta patents i assessora un gran nombre d’empreses de biotecnologia.
És membre, entre d’altres, de la National Academy of Engineering (2000), l’Institute of Medicine (2004), la National Academy of Sciences (2008) i l’American Academy of Arts and Sciences. Ha rebut, entre altres distincions, el Charles Stark Draper Prize de la National Academy of Engineering (2011) i la Medalla Nacional de tecnologia i innovació del govern dels Estats Units (2013), i ha estat la primera dona a obtenir el premi Millennium (2016), considerat el guardó tecnològic més impotant. L'any 2018 rebé el premi Nobel de química, compartit amb George P. Smith i Gregory P. Winter.