Es llicencià en química a la Universitat Lliure de Berlín el 1968, es doctorà el 1971 a la Universitat Tècnica de Berlín. Després d’un curs de postdoctorat a la univeristat de Notre Dame (Indiana, EUA), obtingué l’habilitació per a exercir la docència en química física a la Universitat Lliure de Berlín (1976), i l’any següent fou admès com a professor associat de física química a l’Escola Politècnica de Lausana, on des del 1981 és catedràtic i director del laboratori de fotònica i interfície, i de l’Institut de Química Física del qual ha estat també director (1980-82 i 1998-2000) i cap del departament de química (1983-85 i 1991-93).
Les seves investigacions s’han centrat en el desenvolupament de les cèl·lules fotovoltaiques sensibles per colorant (DSC, dye-sensitized solar cells), també anomenades cèl·lules de Grätzel, de les quals feu les primeres proves l’any 1988 i sobre les quals publicà el 1991 un important article a la revista Nature. La tecnologia de les cèl·lules DSC, que s’aplica als captadors solars, ha estat descrita com una ‘fotosíntesi artificial’ i constitueix una alternativa a les cèl·lula fotovoltaica clàssica de sílice pel cost més baix i l’eficiència superior. Per aquesta aportació rebé l’any 2010 el premi Millennium.
Ha estat guardonat també amb el premi Europeu a la Innovació (2000) el premi Faraday de la Royal Society (2001), el World Technology Award in Materials (2006) i el premi Internacional del Japó (2006).