Féu recerques sobre la bioquímica dels dípters i demostrà l’existència del citocrom.
Fou, amb Lorenz Oken, un dels pares de La Naturphilosophie romàntica alemanya. Fou el primer a expressar teòricament la llei segons la qual els estatges del desenvolupament embrionari reflecteixen la progressió en la gran escala dels éssers, que, represa després per Ernest Haeckel des d’una perspectiva evolucionista, esdevingué llei biogenètica fonamental.
Format a l’escola alemanya de Koch i col·laborador de Behring, intervingué en l’obtenció dels primers sèrums antitetànic i antidiftèric. Descobrí, al mateix temps que Yersin, el bacil de la pesta. Al Japó fou creat, en honor seu, l’institut Kitasato, dedicat a l’estudi de les malalties infeccioses.
Doctorat a la Universitat de Cambridge (1952), d’ençà del 1962 treballà al laboratori de biologia molecular del Medical Research Council, a Cambridge, laboratori que dirigí (1986-96). Especialitzat en el tractament matemàtic interpretatiu de les imatges obtingudes per microscòpia electrònica dels nucleosomes (complexos d’ADN i histones), aportà també noves tècniques cristal·logràfiques en l’estudi de l’ADN i les proteïnes al microscopi electrònic. L’any 1982 li fou atorgat el premi Nobel de química. Fou president de la Royal Society de Londres (1995-2000).
Es llicencià en biologia i es doctorà en ciències naturals (1974) a Friburg de Brisgòvia. Treballà al laboratori de biologia molecular de Cambridge, amb Milstein, i d’ençà del 1976 treballà a l’Institut d’Immunologia de Basilea. El 1984 compartí el premi Nobel de fisiologia i medicina amb N.K. Jerne i C. Milstein, pels seus estudis sobre el control genètic de la síntesi dels anticossos, els quals han obert les portes a la consecució d’anticossos clonals contra qualsevol antigen.
Fou professor a Würzburg. Gran coneixedor de l’estructura microscòpica dels éssers vius, féu estudis sobre la fibra muscular llisa i les cèl·lules sexuals. A més d’històleg, fou un dels iniciadors de l’embriologia comparada i un excel·lent zoòleg. Escriví, entre altres obres, Mikroskopische Anatomie (1850- 54).
Introduí el darwinisme a Rússia i desenvolupà la primera hipòtesi acceptable de la relació entre els vertebrats i els invertebrats. Féu recerques sobre l’embriologia dels cucs, els artròpodes, els braquiòpodes i els celenterats.