Već kao srednjoškolac pokazao je interes za kemijom sakupljajući opremu iz napuštene čeličane koja mu je služila u provođenju eksperimenata kod kuće. Diplomirao je kemijsko inženjerstvo na Agrotehnološkom fakultetu u Oregonu (današnji Oregon State University), a doktorirao matematičku fiziku i fizikalnu kemiju na Kalifornijskom tehnološkom institutu (Caltech).

Zahvaljujući prestižnoj stipendiji Guggenheim odlazi u Europu kako bi učio pod mentorstvom Arnolda Sommerfelda, Nielsa Bohra i Erwina Schrödingera, pionira tada nove grane fizike - kvantne mehanike.

Nakon 18 mjeseci boravka u Europi vraća se na Caltech i počinje istraživati strukturu kristala koristeći tehniku difrakcije X-zraka. U narednim godinama struktura kemijske veze bila je dominantna tema njegova znanstvenog rada, a od njegovih doprinosa u tom području posebno valja istaknuti formulaciju seta pravila, danas znanih pod njegovim imenom, koja predviđaju strukturu kristala s ionskim vezama kao i teoriju rezonancije i hibridnih orbitala molekula.

Svoja saznanja opisao je u knjizi The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals koja se smatra jednom od najutjecajnijih knjiga u području kemije. 1954. godine dobio je Nobelovu nagradu za kemiju „za istraživanje prirode kemijske veze i njezinu primjenu u razjašnjenju strukture složenih tvari.”

Zanimala ga je i biokemija pa je tako istraživao hemoglobin, strukturu proteina i reakcije antitijela, a za vrijeme Drugog svjetskog rata proučava sintezu umjetne plazme za transfuziju i konstruira uređaj za analizu kisika u podmornicama. Bio je jedan od prvih koji je pretpostavio da je anemija srpastih stanica posljedica genetskog poremećaja što je kasnije i potvrđeno. Uz to je pokušao riješiti i problem strukture DNK tvrdeći da se radi o trostrukom heliksu, ali se u konačnici ipak pokazalo kako su Watson i Crick bili u pravu sa svojom tezom o strukturi dvostrukog heliksa.

Humanitarna katastrofa koja je uslijedila nakon bombardiranja Hirošime i Nagasakija potaknula ga je na borbu za regulaciju nuklearnog oružja i nuklearnog testiranja. Javnim nastupima i debatama te svojom aktivnošću u raznim nadzornim i regulatornim odborima ukazivao je na opasnost koje nuklearno oružje predstavlja za budućnost čovječanstva, a na tu temu napisao je i knjigu No More War! 1957. godine pokrenuo je peticiju koju je potpisao 11 021 znanstvenik iz 49 zemalja, a predstavljena je na sastanku Ujedinjenih naroda.

Napori njega i brojnih drugih znanstvenika urodili su plodom pa je tako 1963. godine između SAD-a, SSSR-a i UK-a potpisan Sporazum o zabrani testiranja nuklearnog oružja kojim su se potpisnice obvezale na prestanak testiranja u atmosferi, svemiru i pod vodom. Za svoje zasluge nagrađen je Nobelovom nagradom za mir koja mu je uručena 10. 10. 1963. godine - na dan stupanja sporazuma na snagu.