Es llicencià (1980) i es doctorà (1983) en enginyeria química a la Universitat Tècnica de Dinamarca (DTU), on, el 1996 fou nomenat professor. Des del 1998 fou també director del Centre de Química Combinatòria Orgànica en Fase Sòlida del laboratori Carlsberg. A la Universitat de Copenhaguen, el 2004 se li atorgà una càtedra honorífica al Departament de Farmàcia i el 2011 fou nomenat professor de nanoquímica del Nano-Science Center.
El 2001 desenvolupà la reacció CuAAC (cicloaddició azida-alquí catalitzada per coure), una de les pioneres que donaren les bases a l’anomenada química del clic. També ha creat altres nous mètodes de síntesi, com els basats en ions N-acil imini.
L’any 2022 guanyà el premi Nobel de química, compartit amb Carolyn R. Bertozzi i Barry Sharpless.