Es formà en física i matemàtiques a la Universitat d’Hamburg, on es graduà el 1955. Desenvolupà la seva tesi a l’Institut Max Planck de Dinàmica de Fluids i a la Universitat de Göttingen, on es doctorà el 1957. Exercí la docència i la investigació a la Universitat d’Hamburg (1957-61 i 1964-75), i desenvolupà una part de la seva carrera a la Scripps Institution of Oceanography de la Universitat de Califòrnia a San Diego (1961-64). El 1975 fundà i dirigí l’Institut Max Planck de Meteorologia d’Hamburg i, a partir del 1988 fou també director científic del Centre Alemany de Computació Climàtica (Deutsches Klimarechenzentrum). El 1999 es retirà dels càrrecs, però continuà vinculat a la docència com a professor emèrit i a la recerca com a assessor i investigador sènior.
El 1976 publicà un model teòric que relacionava les fluctuacions meteorològiques de curta durada amb les variacions climàtiques de llarg termini, i demostrà que era possible extreure informació fiable sobre l’evolució del clima malgrat el caràcter caòtic del temps atmosfèric. També desenvolupà mètodes estadístics per distingir els efectes de l’activitat humana sobre el clima dels derivats de la variabilitat natural. Els seus mètodes han contribuït decisivament a atribuir l’escalfament global a les emissions de gasos d’efecte hivernacle d’origen antropogènic.
Fou membre de diverses acadèmies científiques internacionals i rebé, entre altres distincions, la medalla Vilhelm Bjerknes (2002), el Premi Fundació BBVA Fronteres del Coneixement (2009) i el premi Nobel de física (2021), juntament amb Syukuro Manabe i Giorgio Parisi.