De família jueva emigrada a França el 1956, es graduà a la Universitat de París (1967). El 1971 obtingué el doctorat per la Universitat de París VI, sota la direcció de Claude Cohen-Tannoudji, i l'any següent féu estudis postdoctorals a la Universitat de Stanford amb Arthur L. Schawlow. Investigador al Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) del 1967 al 1975, des d'aquest darrer any fins al 2001 fou professor titular de la Universitat París VI, i des d'aleshores al Collège de France, del qual fou nomenat administrador el 2012.
Ha estat també professor visitant en diverses universitats dels EUA, entre les quals cal esmentar les de Harvard i Yale. Ha estudiat les interaccions entre partícules a partir de l'òptica quàntica, especialment entre ions i fotons, i ha dissenyat mètodes per a la seva captura, manipulació i mesurament.
Entre els guardons que ha rebut, hi ha el premi Einstein de la ciència del làser (1988), el premi Humboldt (1992), la medalla d'Or del CNRS (2009) i el premi Nobel de física (2012), compartit amb David Jeffrey Wineland.