Graduat a Berlín, el 1952 marxà als Estats Units d’Amèrica, on es nacionalitzà el 1961. El 1955 desenvolupà la trampa de Penning, que amb un intens camp magnètic i un lleuger camp elèctric estàtic permet capturar els electrons i els ions. El 1975 ideà un mètode per a refredar els àtoms o partícules atrapats. Aquests mètodes han permès estudiar detalladament electrons i ions. El 1989 compartí el premi Nobel de física amb Wolfgang Paul.