Es llicencià en medicina a la Universitat d’Oxford (Anglaterra) l'any 1956 i es doctorà a Califòrnia. Després d'exercir a la Gran Bretanya, el 1961 anà als Estats Units, on fou internista i resident al Mount Zion Hospital de San Francisco i a la Universitat de Califòrnia Los Angeles. Establert a Nova York des del 1965, treballà com a neuròleg a l'Albert Einstein College of Medicine (1965-75 i 1975-2007), a la New York University School of Medicine (1992-2007) i al Columbia University Medical Center (2007-2012), entre d'altres, com a resident
És conegut pels seus llibres, basats en casos reals de pacients seus o bé autobiogràfics, tractats més des del vessant humà que no pas des del clínic, adreçats a la divulgació de malalties mentals entre el públic no especialitzat. Alguns han estat adaptats al cinema, com l’autobiogràfic Awakenings (1973), portat al cinema per Penny Marshall el 1990, on descriu la pròpia experiència amb el tractament de pacients amb la droga L-Dopa, o al teatre, com The Man Who Mistook His Wife for a Hat (1985), col·lecció d'assaigs sobre casos clínics, un dels quals era el d'un pacient amb agnòsia visual i que inspirà una òpera amb el mateix nom a Michael Nyman (1997), i el muntatge Jo, tampoc, de Jordi Basora (2009), entre d'altres.
Cal destacar, també, Seeing Voices (1989), sobre el món dels sordmuts, Migraine (1992), An Anthropologist on Mars (1995, premi de la National Association of Science Writers 1994), en què la protagonista pateix de la síndrome d’Asperger; The Island of the Colorblind (1997), que tracta sobre l’acromatòpsia, i Musicophilia: Tales of Music and the Brain (2007), basat en la musicoteràpia, un dels seus camps de recerca, The Mind's Eye (2010), en el qual explora la resposta del cervell davant deficiències o pèrdues sensorials greus, i Hallucinations (2012), sobre les causes, orígens i funcions de les experiències al·lucinatòries. És també autor de les memòries Oncle Tungsten (2001) i On the Move (2015).
Entre altres distincions, fou investit doctor honoris causa per diverses institucions i rebé el premi Oskar Pfister de l'American Psychiatric Association (1988), el premi de l'American Academy of Neurology (1991), l'E.A. Wood Scientific Writing Award (2004) i l’orde de l’Imperi Britànic (2008). Fou membre de diverses institucions acadèmiques i científiques. El 2003 es batejà un asteroide amb el seu nom.