Estudià a la Universitat de Yale, on es graduà el 1948. El 1952 es doctorà al Massachusetts Institute of Technology (MIT), on feu recerques que més tard aprofità E.P. Wigner (guanyador del premi Nobel el 1963). A partir del 1952 a la Universitat de Chicago i del 1955 al California Institute of Technology (on es retirà el 1993), treballà sobre les partícules, que agrupà originalment per famílies (proposà la idea del “camí òctuple” el 1964) a partir de la càrrega elèctrica, el spin i altres indicadors, establí comparacions amb la taula periòdica dels elements i formulà la teoria dels quarks, més tard confirmada experimentalment. El 1984 fou un dels cofundadors del Santa Fe Institute, dedicat a la recerca de principis fonamentals en sistemes complexos, obert a tots els camps del coneixement. El 1969 li fou atorgat el premi Nobel de física. També rebé la Medalla Helmholtz (2014), entre moltes altres distincions. Ocupà càrrecs en organismes i organitzacions, entre d’altres el comitè assessor de la presidència dels Estats Units en ciència i tecnologia (1994-2001). És també autor d’obres de divulgació, entre les quals destaca The Quark and the Jaguar. Adventures in the Simple and the Complex (1994).