Començà estudis de física i matemàtiques, que canvià pels de biofísica a la Johns Hopkins University, on es doctorà el 1953. Posteriorment feu recerca a la Universitat de Cambridge (Gran Bretanya) i el 1959 s’incorporà als laboratoris Geigy de Nova York. El 1968 passà a la Universitat de Yale i el 1983 a la Universitat Rockefeller, on fou investigador en cap del Laboratori de Neurociència Molecular. Fou guardonat amb el premi Nobel de medicina i fisiologia l’any 2000, conjuntament amb Arvid Carlsson i Eric Kandel. Durant la dècada de 1960 les seves recerques demostraren que en moltes sinapsis els neurotransmissors actuen afegint o restant un ió fosfat (fosforilació i desfosforilació) a certes proteïnes fixades a la membrana cel·lular, cosa que provoca una sèrie de reaccions bioquímiques que afecten diverses proteïnes específiques encarregades de regular una gran diversitat de funcions a les cèl·lules nervioses. Aquests descobriments han facilitat el desenvolupament de models moleculars de funcionament de les sinapsis. L’any 2004 creà el premi Pearl Meister Greengard, atorgat per la Universitat Rockefeller, per a dones científiques amb contribucions destacades en el camp de la biomedicina.