Laureatosi in fisiologia nel Regno Unito nel 1946, consegue una seconda laurea cinque anni dopo in biochimica. Intanto mette a punto la tecnica dell'elettroforesi su gel.[2] Partito per gli Stati Uniti, per problemi legati al visto del suo passaporto inglese è costretto a fermarsi in Canada e lavora presso un laboratorio di Toronto dal 1953 al 1960. Dal 1960 al 1988, è dapprima assistente, poi docente di genetica, all'Università del Wisconsin-Madison e in questo ambito compie degli studi sulla fibrosi cistica.
Dal 1988 è professore di patologia e di medicina di laboratorio all'Università della Carolina del Nord. Nel 2002, conduce insieme a sua moglie, la dottoressa Nobuyo Maeda, uno studio sull'ipertensione utilizzando animali da esperimento geneticamente modificati.
In contemporanea a Mario Capecchi, altro premio Nobel per la medicina 2007, ha scoperto e messo a punto la tecnica del gene targeting per la creazione di topi knockout, ovvero topi con alcuni geni disattivati. La scoperta è di fondamentale importanza per la biologia e per la medicina nel campo della cura di molte malattie, e tale scoperta ha portato i due genetisti, che pure hanno lavorato indipendentemente l'uno dall'altro, a vincere il premio Nobel nel 2007 insieme a Martin Evans.
Nel 2014, ha partecipato al meeting Le 2ue culture tenutosi ad Ariano Irpino, parlando agli studenti di BioGeM.
