Estudià matemàtiques al Dartmouth College de Nou Hampshire i a la Universitat de Harvard. El 1942 fou destinat al servei meteorològic de l’exèrcit dels EUA, i el 1943 es graduà en aquesta disciplina al Massachusetts Institute of Technology (1943), on es doctorà el 1948 i desenvolupà la seva aportació científica i hi exercí la docència fins el 1985. A partir de la construcció d’un model matemàtic del moviment de l’aire en l’atmosfera, descobrí que modificacions molt petites en les variables utilitzades repercutien en canvis de grans proporcions en els resultats finals (fenomen conegut com l’"efecte papallona”). Desenvolupà aquesta idea en l’estudi Deterministic Nonperiodic Flow el 1963, en el qual un sistema d’equacions limitat genera uns resultats de complexitat creixent. Denominat “atractor de Lorenz”, aquest model ha permès desenvolupar la teoria del caos, que explica la impredictibilitat (o predictibilitat limitada) de certs fenòmens com ara els meteorològics. Fou membre de l’Acadèmia de Ciències dels EUA (1975) i membre honorari de la Royal Meteorological Society (1984) i rebé els premis Crafoord de l’Acadèmia Sueca (1983) i el premi Kyoto (1991) de la Fundació Inamori.