Graduat en física al California Institute of Technology (1983) i en enginyeria física aplicada a la Universitat de Cornell (1985), matèria en la qual es doctorà el 1988 a la mateixa universitat, i on, del 1983 al 1988, fou assistent de recerca al departament de física aplicada. Posteriorment fou membre de l’equip tècnic dels laboratoris Bell de l’empresa AT&T fins el 1994, que fundà NSOM Enterprises, consultora en el camp de microscòpia òptica de camp pròxim, que el 1996 abandonà per incorporar-se a l’empresa de màquines eina del seu pare Ann Arbor Machine Company fins el 2002. Després de fundar aquest any una nova consultora tecnològica especialitzada en microscòpia (2002), el 2005 s’incorporà al Howard Hughes Medical Institute, on dirigeix el Janelia Farm Research Campus, dedicat a la recerca bàsica en tecnologies de la bioimatge. L’any 2006 aplicà amb èxit el primer mètode de microscòpia monomolecular per a aconseguir augments de gran resolució que permeten la visualització de processos intracel·lulars en temps real. Per aquest assoliment, l’any 2014 li fou atorgat el premi Nobel de química, compartit amb Stefan Hell i William Moerner. Ha rebut també el premi de l’Acadèmia Nacional de Ciències a iniciatives en la recerca (1993).