Graduat en química pel California Institute of Technology (1965), el 1970 obtingué el doctorat en biofísica al Massachusetts Institute of Technology. Incorporat a la Universitat de Brandeis, amb Jeffrey Hall formà part de l’equip que aconseguí alguns dels descobriments més importants en genètica de les darreres dècades, entre els quals destaca la identificació del gen conegut amb el nom de period i de la proteïna PER, que regulen moltes de les funcions del rellotge biològic i els ritmes circadiaris. Per aquest descobriment, el 2017 obtingué el premi Nobel de medicina, conjuntament amb Jeffrey Hall i Michael Young, amb els quals ha compartit també, entre d’altres, els premis Gruber de neurociència (2009) i Shaw de medicina (2013).