Graduat per la Universitat de Berkeley (1965) i doctorat per la de Harvard (1970). Posteriorment treballà amb Hans Dehmelt a la universitat de Washington fins el 1975, en què s'incorporà al National Institute of Standards and Technology, organisme federal dels EUA amb una de les seus a Boulder (Colorado), on ha desenvolupat la carrera científica.
La seva recerca s'ha centrat en el disseny de sistemes de captura, manipulació i mesurament de ions i fotons, que han permès confirmar experimentalment els estats d'ambdues partícules que la mecànica quàntica havia postulat teòricament. Aquestes tècniques possibiliten la construcció de rellotges òptics, molt més precisos que els atòmics i, en una mésura més controvertida, els anomenats ordinadors quàntics, molt més ràpids i amb més capacitat que els actuals.
Ha rebut, entre d'altres, el premi Schawlow de l'American Physical Society (1991), la medalla Nacional de les Ciències (2007), la medalla Benjamin Franklin (2010) i el premi Nobel de Física (2012), compartit amb Serge Haroche.