Estudià humanitats (1975-81) i medicina (1977-81) a la Universitat d’Uppsala, per la qual es doctorà en biologia cel·lular el 1986. Dugué a terme recerca postdoctoral a l’Institut de Recerca Molecular de Zuric, al Cancer Research Fund de Londres i al departament de bioquímica de la Universitat de Califòrnia Berkeley. Entre el 1990 i el 1998 fou professor de biologia i evolució de la Universitat de Munic, i des del 1999, professor honorari de biologia evolutiva molecular de la Universitat de Leipzig. Ha estat també professor convidat de genòmica comparativa de la Universitat d’Uppsala (2003-15). Des del 1997 és director de l’Institut Max Planck d’Antropologia Evolutiva a Leipzig. Des del 2016 és membre honorari per a la recerca del Museu d’Història Natural de Londres.
Considerat un dels fundadors de la paleogenètica, la disciplina que mitjançant l’estudi de l’ADN dels organismes fòssils n’estableix la filiació amb els actuals, n’ha aplicat les tècniques i els resultats a l’estudi de l’evolució humana. L’any 2010 ell i el seu equip identificaren a partir de restes fòssils el genoma complet de l’home de Neandertal. Aquest descobriment permeté comprovar l’existència d’una petita quantitat (prop del 2,5%) del genoma d’aquesta espècie d’homínids compartit amb el dels Homo sapiens eurasiàtics actuals, cosa que contradeia la hipòtesi fins aleshores generalment acceptada que no hi havia hagut encreuament entre ambdues espècies.
Entre altres guardons, ha estat distingit amb el premi Leibniz de la Fundació Alemanya de Ciències (1992), la Medalla Max Delbrück (1998), el premi Gruber de genètica (2013), la Medalla Lomonosov de l’Acadèmia de Ciències de Rússia (2015) i els premis Dan David (2017), Nakasone, Princesa de Asturias d’investigació científica i tècnica, Körber (2018) i el premi Nobel de medicina (2022), i és membre de nombroses acadèmies i societats científiques.
Amb més de 350 articles publicats, és autor de Neanderthal Man. In Search of Lost Genomes (2014).