Graduat per la Universitat de Chicago (1932), un any després desenvolupà una instal·lació de comptadors Geiger amb els quals determinà, juntament amb el seu tutor Arthur Compton, els raigs còsmics com a partícules carregades positivament. Doctorat el 1936, s’incorporà a la Universitat de Califòrnia Berkeley, on desenvolupà la seva carrera científica i acadèmica. Entre les seves aportacions destaquen els estudis sobre la captura K, per la qual els àtoms radioactius es converteixen en nous elements, i els treballs amb el ciclotró, mitjançant el qual demostrà que l’heli-3 és estable. També treballà en ressonadors-acceleradors lineals i en electrònica, que aplicà a l’aterratge dels avions en condicions perilloses. La construcció d’una cambra de bombolles (inventada per Donald A. Glaser) de grans dimensions li permeté descobrir les partícules de ressonància de vida curta, la qual cosa li valgué el premi Nobel de física del 1968. El 1944 participà en el projecte Manhattan de construcció de la primera bomba nuclear, en el qual ideà un detonador per a la bomba de plutoni i dissenyà un equip per a mesurar l’energia alliberada en una explosió nuclear. Tingué també un participació decisiva en recerques i descobriments en altres camps: ideà un mètode per a localitzar cambres a les piràmides d’Egipte utilitzant raigs còsmics i, el 1977, juntament amb el seu fill geòleg Walter Alvarez (Berkeley, Califòrnia, 3 d’octubre de 1940), formulà la hipòtesi segons la qual la gran extinció dels inicis del Terciari (en la qual desaparegueren els dinosaures) havia estat causada per l’impacte d’un asteroide, després de constatar l’existència de dipòsits d’iridi en punts de la Terra molt distants que, segons ell, havien de provenir d’un únic lloc. Aquesta tesi rebé un suport determinant el 1991 amb la identificació del cràter Chicxulub, a la península de Yucatán. Des d’aleshores, aquesta explicació ha guanyat una acceptació creixent fins a convertir-se en majoritària en la comunitat científica.