Abans de doctorar-se a la Universitat de Harvard (1949) treballà en el Projecte Manhattan (1944-46). Feu recerca a la Universitat de Princeton i al California Institute of Technology. Des del 1952 desenvolupà la seva carrera acadèmica a la Universitat de Harvard.
El 1963 publicà un important estudi en el qual explicava el comportament dels làsers a partir dels quanta en contraposició a la llum de fonts calentes en forma de raigs o ones. Amb aquest i altres treballs relacionats contribuí a desenvolupar l’òptica quàntica, i li valgué la concessió del premi Nobel el 2005 (compartit amb John Hall i Theodor Hänsch).