Estudià a la Universitat Tècnica de Munic i a la de Berlin, on es doctorà el 1939. Fou professor a les universitats de Kiel i Gotinga, i des del 1952 exercí la docència a la Universitat de Bonn fins que es retirà l’any 1981, i n'esdevingué professor emèrit. Compaginà la docència amb la direcció de la Divisió de Física Nuclear de la CERN. Durant la dècada del 1950 experimentà amb camps elèctrics i magnètics fins a aconseguir aïllar ions individuals (àtoms amb càrregues elèctriques) que en feren possible el seu estudi i mesurament. El desenvolupament de la tècnica d’aïllar els ions li valgué el premi Nobel de física l’any 1989 que compartí amb els físics nord-americans H.G. Dehmelt i N.F. Ramsey.