Pennsylvaniako Swarthmore Collegen, Massachusettseko Teknologia Institutuan (MIT) eta New Yorkeko Rockefeller Unibertsitatean egin zituen ikasketak. 1968-1972 bitartean mikrobiologiako irakasle-laguntzailea izan zen Massachusettseko Teknologia Institutuan, eta geroago biologiako irakasle egin zen. Minbiziaren zeluletako geneei eragiten dieten zenbait birusi buruzko ikerketak egin ditu, eta alor horretan egindako lanei esker Medikuntzako Nobel saria irabazi zuen 1975. urtean, Howard Temin eta Renato Dulbecco zientzialariekin batera. Zenbait birusek tumoreak sor ditzaketela gauza jakina zen, baina Baltimorek eta bere lankideek aurkitu zuten birus horietan azido erribonukleikozko geneek animalien zeluletako azido desoxirribonukleikoarekin bat egin zezaketela, eta zelula horiek eraldatuz minbizia eragin zezaketela. 1970. urtean, bestalde, Baltimorek eta Teminek entzima bat aurkitu zuten minbizia eragiteko gaitasuna duen RNAren birus-partikuletan; birus-partikula horiek birusak kutsaturiko zeluletan birusaren material genetikoaren DNAren bertsioak sor ditzakete. Horrela ikusi zen, ordu arte zientzialariek uste ez bezala, RNAren gai genetikotik DNA sor zitekeela, eta ez alderantziz soilik. California Institute of Technologyko (Caltech) lehendakaria izan zen 1997tik 2006ra, eta gaur egun, biologiako Robert A. Millikan Professor Caltechen. 1990-1991 urte bitartean, Rockefeller unibertsitateko lehendakaria izan zen, eta 2007an American Association for the Advancement of Sciencekoa.