Estudià física i matemàtiques a la Universitat de Viena, on es doctorà (1971) amb una tesi sobre física de neutrons. Ha estat professor de l’Institut de Tecnologia de Massachusetts (MIT), de la Universitat Tècnica de Munic, de la Universitat Tècnica de Viena, de la Universitat d’Innsbruck i del Col·legi de França de París. Actualment és director científic de l’Institut d’Òptica Quàntica i Informació Quàntica (IQOQI) i degà de la Universitat de Viena.
El seu equip fou el primer a comprovar una interferència quàntica entre macromolècules. Considerat un dels pioners dels estudis de teletransport, des dels anys noranta investiga les partícules lluminoses entrellaçades i el seu ús per a transmetre informació quàntica. El 1997 demostrà el teletransport quàntic en enviar dos fotons d’una banda a l’altra del Danubi, i el 2012 aconseguí batre un rècord en enviar fotons a 144 km de distància (entre La Palma i Tenerife), sense cap tipus de connexió.
L’any 2010 fou guardonat amb el premi Wolf de física i el 2022 amb el premi Nobel de física, guardons que compartí amb Alain Aspect i John Clauser, pels seus experiments amb fotons entrellaçats.