Urodził się w rodzinie żydowskiej (jego rodzice zginęli w czasie II wojny światowej w obozie koncentracyjnym). Studiował na Uniwersytecie w Lejdzie, gdzie był uczniem Paula Ehrenfesta. Pierwszy artykuł naukowy opublikował już w 1921 w piśmie Die Naturwissenschaften. W 1925 razem z Georgiem Uhlenbeckiem odkrył, że elektronowi można przypisać dodatkową cechę (poza masą i energią), tj. tzw. spin. W swoich badaniach zajmował się przede spektroskopią. W 1927 obronił pracę doktorską i w tym samym roku przyjął razem z Uhlenbeckiem propozycję pracy na Uniwersytecie Michigan.
Na Uniwersytecie Michigan prowadził m.in. badania nad tzw. strukturą nadsubtelną (wraz ze swoim uczniem Robertem Bacherem) oraz Linusem Paulingiem), pod koniec lat 30. zajmował się także badaniami nad neutronem. Po wybuchu II wojny światowej pracował najpierw na Uniwersytecie Harvarda, a od 1941 w Radiation Laboratory (tzw. Rad Lab), wchodzącym w skład Massachusetts Institute of Technology. W maju 1944 został naukowym szefem tzw. Operacji Alsos i w tym charakterze przyjechał do Europy, aby ustalić stopień zaawansowania niemieckich fizyków w budowie bomby atomowej. Misji tej poświęcił książkę Alsos (wyd. 1947).
