Es doctorà en medicina per la Johns Hopkins University School of Medicine a Baltimore (EUA) l’any 1974 i la major part de la seva carrera professional s’ha desenvolupat en aquest centre, on ocupa una plaça de catedràtic al departament de química biològica i medicina des de l’any 1993. El seu treball el portà el 1988 a aïllar i purificar una proteïna de la membrana cel·lular i, un any més tard, també a identificar el canal usat per les molècules d’aigua per a entrar i sortir de la cèl·lula. El descobriment d’aquesta proteïna, anomenada posteriorment aquaporina-1, ha permès estudiar detalladament el mecanisme mitjançant el qual l’aigua travessa la membrana cel·lular proporcionant una informació important en l’àmbit molecular de processos fisiològics, com ara la recuperació d’aigua als ronyons a partir de l’orina primària o la generació i propagació d’impulsos nerviosos. Aquest coneixement és fonamental per a la comprensió de l’origen de moltes malalties. El 2003, Agre rebé el premi Nobel de química.