Graduat el 1977 en biologia pel Massachusetts Institute of Technology, es doctorà el 1984 en bioquímica per la universitat de Berkeley (Califòrnia). És professor i cap del departament de fisiologia de la universitat de San Francisco, Califòrnia. Ha estat un pioner en els estudis del dolor i, especialment, de la nocicepció. En aquest camp, ha investigat les funcions dels nociceptors, especialment la proteïna anomenada receptor de capsaicina o TRPV1 que condiciona la resposta fisiològica en el dany o inflamació de teixits, recerca especialment útil en el coneixement del dolor crònic i també en la resposta dolorosa a determinats estímuls innocus o poc intensos.
És membre de diverses societats científiques, entre les quals l’Acadèmia Nacional de Ciències dels EUA, de l’Acadèmia Americana d’Arts i Ciències i ha rebut nombrosos guardons, entre els quals el premi Yngve Zotterman de la Societat Fisiològica d’Estocolm (2003), el Kerr Basic Science Research Award de l’American Pain Society (2006); el premi K.J. Zülch de recerca neurològica bàsica de la Societat Max Planck Society (2006); el premi Edward Scolnick de Neurociència del McGovern Institute for Brain Research at MIT (USA, 2007), el premi Julius Axelrod de la Society for Neuroscience (2007); el premi de ciència Unilever (2007), el Passano Foundation Award (2010), el premi Príncipe de Asturias d’investigació científica i tècnica (2010, compartit amb Linda Watkins i Baruch Minke) i el premi Nobel de medicina 2021 (compartit amb Ardem Patapoutian).