Estudià biologia i biofísica a la Universitat de Constança i es doctorà el 1988 a la Universitat Goethe de Frankfurt amb una recerca desenvolupada a l’Institut Max Planck de Biofísica. Entre el 1988 i el 1993 feu una estada postdoctoral als Estats Units, a les universitats de Yale i Rockefeller (Nova York). El 1993 retornà a l’Institut Max Planck de Biofísica de Frankfurt, on dirigí un grup de recerca. Entre el 1995 i el 2000 fou també assistent científic de l’Institut de Biofísica de la Universitat Goethe de Frankfurt, on obtingué l’habilitació en química biofísica; durant aquest període, el 1999 feu una estada de recerca a la Universitat de Nàpols com a Marie Curie Fellow. Del 2004 al 2021 fou professor de fisiologia molecular vegetal a la Universitat de Würzburg i, del 2021 al juny del 2026, professor sènior de l’Institut de Fisiologia de la mateixa universitat.
Les seves investigacions s’han centrat en els fotoreceptors microbians i en els mecanismes pels quals la llum regula l’activitat cel·lular. Juntament amb Peter Hegemann i altres col·laboradors identificà i caracteritzà les canalrodopsines, proteïnes fotosensibles presents en algues unicel·lulars que funcionen com a canals iònics activats per la llum. El 2002 caracteritzaren la canalrodopsina 1 (ChR1) i el 2003 la canalrodopsina 2 (ChR2). Aquests descobriments proporcionaren una de les bases fonamentals per al desenvolupament de l’optogenètica, tècnica que permet controlar mitjançant la llum l’activitat de neurones i altres cèl·lules modificades genèticament i que ha esdevingut una eina fonamental per a l’estudi funcional dels circuits nerviosos.
Codescobridor de les canalrodopsines i un dels pioners de l’optogenètica, el 2026 compartí el premi Nobel de fisiologia o medicina amb Karl Deisseroth i Peter Hegemann.