Es doctorà en química i física a la Universitat de Yale (1942). El 1948 entrà al Brookhaven National Laboratory, on treballà fins a la seva jubilació. Al final de la dècada del 1950 emprengué un projecte per a detectar els neutrins solars. Aconseguí capturar un total de 2.000 neutrins procedents del Sol, i demostrà així que l’energia solar prové de la seva fusió. Els resultats de Davis foren confirmats anys després pel grup de Koshiba. Per aquestes investigacions rebé el premi Nobel de física el 2002, compartit amb M. Koshiba i R. Giacconi.