Estudià a les universitats de Gal·les i Edimburg, on es doctorà el 1955. Incorporat a la universitat de Cambridge el 1963, reeixí a transferir embrions de rates d’una femella a una altra, determinà el procés de maduració dels òvuls humans i aconseguí de fecundar-ne in vitro (1969). En col·laboració amb Patrick Steptoe, creador de la peritoneoscòpia, el 1977 obtingué òvuls ja madurs que foren sotmesos a fecundació externa i que, implantats dos dies després, donaren lloc al primer infant concebut fora del si matern (1978). Aquestes tècniques, posteriorment difoses, han estat objecte de controvèrsies. Amb Steptoe fundà l’any 1981 Bourn Hall Clinic, centre avançat en el tractament de la infertilitat. L’any 2001 rebé el premi Lasker, el 2010 el premi Nobel de Medicina i el 2011 rebé l’Orde de l’Imperi Britànic.