Doctorat per la Harvard Medical School (1946), inicià la seva carrera al Brigham Hospital de Boston (Massachusetts, EUA), on s'especialitzà en medicina interna i en hematologia oncològica. El 1955 fou nomenat director mèdic del Bassett Medical Center, adscrit a la Universitat de Columbia. L'any 1963 entrà a la Universitat de Washington, on fou el primer cap del departament d'oncologia de l'Escola Mèdica, càrrec que exercí fins el 1990. Es retirà l'any 2002.
Al començament dels anys cinquanta establí les bases tècniques del trasplantament de medul·la òssia en els seus experiments amb gossos. Participà en el primer trasplantament d'aquest tipus en el tractament contra la leucèmia en éssers humans el 1954, portat a terme al Fred Hutchinson Cancer Research Center de Seattle (Washington). Posteriorment, els seus treballs en aquest camp permeteren de definir les dosis d'irradiació i de quimioteràpia necessàries per a realitzar empelts amb èxit.
El 1990 rebé el premi Nobel de medicina i fisiologia (compartit amb J.E. Murray) pels seus descobriments sobre els trasplantaments d'òrgans i cèl·lules en éssers humans. El mateix any li fou concedida la Medalla Nacional de la Ciència.