Estudià química a la Universitat de Münster i bioquímica a la Universitat de Múnic, i es doctorà el 1984 a l’Institut Max Planck de Bioquímica de Martinsried, on desenvolupà la recerca doctoral. Després d’una estada postdoctoral a la Universitat de Syracuse (1985-86), retornà el 1986 a l’Institut Max Planck, on dirigí un grup de recerca fins el 1992. Fou professor de bioquímica a la Universitat de Ratisbona (1992-2004) i de biofísica experimental a la Universitat Humboldt de Berlín (2004-25), de la qual és professor emèrit des del 2025.
Les seves recerques s’han centrat especialment en els mecanismes moleculars de la percepció de la llum en microorganismes. A l’inici del segle XXI, juntament amb Georg Nagel i altres col·laboradors, identificà i caracteritzà les canalrodopsines, proteïnes fotosensibles presents en algues unicel·lulars que funcionen com a canals iònics activats per la llum. El 2002 caracteritzaren la canalrodopsina 1 (ChR1) i el 2003 la canalrodopsina 2 (ChR2), i demostraren que l’exposició a determinades longituds d’ona n’indueix l’obertura i permet el pas d’ions a través de la membrana cel·lular. Aquests descobriments proporcionaren una de les bases fonamentals per al desenvolupament de l’optogenètica, tècnica que permet controlar mitjançant la llum l’activitat de neurones i altres cèl·lules modificades genèticament i que ha esdevingut una eina fonamental per a l’estudi funcional dels circuits nerviosos.
Considerat un dels pioners de l’optogenètica i codescobridor de les canalrodopsines, per aquestes aportacions compartí el premi Nobel de fisiologia o medicina del 2026 amb Karl Deisseroth i Georg Nagel.