Llicenciat en física (1966) i doctor en física (1969) per la Universitat Catòlica de Lovaina. Després d’una etapa com a investigador associat al CERN (1969-71), el 1972 s’incorporà a la Universitat de Wisconsin-Madison, on desenvolupà la major part de la seva carrera acadèmica i de recerca. Especialitzat inicialment en física teòrica de partícules, contribuí també al desenvolupament de l’astrofísica de partícules i a l’estudi dels raigs còsmics.
A partir de la segona meitat de la dècada de 1980 impulsà la utilització del gel profund de l’Antàrtida com a medi de detecció de neutrins còsmics d’alta energia. Aquesta iniciativa es concretà primer en el projecte AMANDA i posteriorment en la construcció de l’Observatori de Neutrins IceCube, completat el 2011 a l’estació Amundsen-Scott (Antàrtida). Sota la seva direcció científica, l’observatori obtingué el 2013 les primeres evidències d’un flux de neutrins d’alta energia d’origen astrofísic, fet que contribuí decisivament al desenvolupament de l’astronomia de neutrins. Posteriorment, IceCube identificà fonts astrofísiques d’aquestes partícules, que interaccionen molt feblement amb la matèria. Per aquestes contribucions, Halzen rebé el premi Nobel de física el 2026.
És coautor, amb Alan D. Martin, del manual Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics (1984), una obra de referència en l’ensenyament de la física de partícules. Publicà també IceCube and the Discovery of High-Energy Cosmic Neutrinos (2018).
Ha rebut també el premi Balzan (2015) i la Medalla de l’American Physical Society (2026).