El 1971 es graduà en biologia a la Universitat de Texas Austin, on el 1975 obtingué el doctorat en genètica. Després d’una etapa de recerca postdoctoral a la Stanford School of Medicine, s’incorporà a la Rockefeller University de Nova York (1978), on ha desenvolupat la carrera acadèmica i científica, i també al Howard Hughes Medical Institute (1987-96). La seva contribució més important és el descobriment dels mecanismes genètics del rellotge biològic i dels ritmes circadiaris a partir de la identificació de diverses proteïnes que formen part d’alguns gens, especialment la proteïna PER. Per aquests descobriments, el 2017 rebé el premi Nobel de medicina, conjuntament amb Jeffrey Hall i Michael Rosbash, amb els quals compartí anteriorment els premis Gruber de neurociència (2009) i Shaw de medicina (2013).