Graduat en bioquímica i biologia cel·lular a la Universitat de Califòrnia de San Diego (1983), es doctorà en microbiologia i immunologia a la Universitat de Califòrnia de Los Angeles (1987). Després d’una estada de recerca als National Institutes of Health, desenvolupà la seva carrera investigadora en diverses empreses biotecnològiques dels Estats Units. Posteriorment ocupà càrrecs de direcció científica al Parker Institute for Cancer Immunotherapy.
Les seves recerques se centren en els mecanismes que regulen la tolerància immunitària perifèrica i prevenen les malalties autoimmunitàries. Juntament amb Mary E. Brunkow identificà el gen posteriorment anomenat FOXP3, les mutacions del qual provoquen greus alteracions del sistema immunitari en ratolins i en humans. Aquest descobriment proporcionà la base molecular per comprendre el desenvolupament i el funcionament de les cèl·lules T reguladores −identificades per primer cop en la dècada del 1990 per l’investigador Shimon Sakaguchi−, responsables de mantenir l’equilibri de la resposta immunitària i d’evitar que l’organisme ataqui els seus propis teixits. Els seus estudis contribuïren al desenvolupament de noves estratègies terapèutiques en l’àmbit de les malalties autoimmunitàries, la immunoteràpia contra el càncer i el trasplantament d’òrgans.
L’any 2025 compartí el Premi Nobel de fisiologia i medicina amb Mary E. Brunkow i Shimon Sakaguchi.