Llicenciat en enginyeria aeronàutica per la Universitat Politècnica de Madrid (1969) i doctorat en economia per la Universitat Complutense de Madrid (1975), obtingué màsters en matemàtiques aplicades, per la Universitat de Stanford, Califòrnia, (1975) i en economia del petroli, per l’Institut Francès del Petroli de París. Fou enginyer de sistemes a la Companyia Espanyola de Petrolis (1972-80) i professor a la Universitat Complutense (1969-82), d’on fou catedràtic de la Facultat de Ciències Econòmiques a partir del 1977.
S’afilià al Partido Socialista Obrero Español (PSOE) el 1975 i fou responsable d’hisenda de la Diputació de Madrid (1979-82), diputat per Barcelona al Congrés (1986-2004), membre de l’executiva del PSC (1987-2004) i del comitè federal del PSOE (1992-2004). Ocupà els càrrecs de secretari d’estat d’Hisenda (1984-91) i ministre d’Obres Públiques, Transports, Medi Ambient i Telecomunicacions (1991-93 i 1993-96) en els governs presidits per Felipe González. L’abril del 1998 guanyà contra pronòstic les eleccions primàries del PSOE per a succeir González a la secretaria general, però el maig del 1999 renuncià al càrrec poc després que dos dels seus col·laboradors quan ocupava la secretaria d’estat d’Hisenda fossin acusats de frau fiscal i suborn, i fou succeït per Joaquín Almunia, a qui havia derrotat, però que tenia el suport de la cúpula del partit.
Fou cap de llista del PSOE en les eleccions europees del 2004, i el juliol d’aquell mateix any fou nomenat president del Parlament Europeu, càrrec que ocupà fins el gener del 2007, que fou substituït pel conservador alemany Hans-Gert Pöttering. En 2002-03 fou membre de la Convenció Europea que dugué a terme els treballs per a l’elaboració de la Constitució Europea. L’any 2009 s’incorporà al consell d’administració de la multinacional tecnològica espanyola Abengoa, i el 2010 en fou nomenat president del consell assessor internacional, empresa on romangué fins l’octubre del 2016. En 2010-12 presidí l’Institut Universitari Europeu, amb seu a Florència, càrrec que hagué d’abandonar per incompatibilitat amb el de conseller d’Abengoa. El 2018 la Comissió Nacional del Mercat de Valors el sancionà per la venda d’accions d’aquesta empresa quan n’era conseller i estava en possessió d’informació privilegiada.
Ha publicat el recull d’articles Al filo de los días (1998), La crisis del euro (2011, amb Andreu Missé) i Las cuentas y los cuentos de la independencia (2015), on argumenta des del punt de vista econòmic la seva rotunda oposició a la independència de Catalunya, que reafirmà amb singular bel·ligerància els anys següents, i Los idus de octubre. Reflexiones sobre la crisis de la socialdemocracia y el futuro del PSOE (2017). Del juny del 2018 a l’octubre del 2019 (des del setembre en funcions) fou nomenat ministre d’Afers Estrangers del govern presidit per Pedro Sánchez, des d’on centrà els seus esforços a contrarestar a l’exterior el discurs de l’independentisme català, objectiu per al qual impulsà la plataforma España Global. Cap de llista del PSOE en les eleccions al Parlament Europeu del 26 de maig de 2019, després de ser elegit renuncià a l’acta de diputat. L’octubre del 2019 fou nomenat alt representant de la Unió per a Afers Exteriors i Política de Seguretat, succeint Federica Mogherini, càrrec que assumí l’1 de desembre. Al novembre fou amonestat per la Comissió Europea per haver difós informació confidencial de l’expedient policial britànic de la consellera a l’exili Clara Ponsatí, bé que rebutjà investigar-lo. L’any 1996 rebé la Gran Creu de Carles III.