El 1946 es graduà en físiques al Case Institute of Technology de Cleveland i el 1950 obtingué el doctorat al California Technology Institute. Professor a la Universitat de Michigan (1949-1959) i posteriorment a la Universitat de Califòrnia, inventà la cambra de bombolles, dispositiu per a seguir la trajectòria dels electrons, i en dirigí la construcció. El 1960 fou distingit amb el premi Nobel de física, pels seus estudis sobre les partícules subatòmiques. Des de mitjan anys seixanta feu recerca en biologia molecular. L’any 1971 fundà amb altres col·laboradors seus la companyia Cetus, la primera empresa de biotecnologia, que desenvolupà la interleucina i l’interferó, tractaments de tumors cancerosos i, més tard, el mètode de reacció en cadena de la polimerasa, bàsic en investigació genètica. Als anys vuitanta dugué a terme recerques en el camp de la neurobiologia al Massachusetts Institute of Technology, en el qual dissenyà sistemes de simulació de la visió humana per ordinador.