Nasce em Chicago e estuda biologia na Universidade de Chicago, onde se gradua em 1947. Logo depois toma contato com as pesquisas do microbiologista Oswald Avery, da Universidade de Indiana, que provam a influência do DNA nos traços hereditários, e acredita que possa pesquisar o gene pela reconstituição das moléculas de ácido nucléico.
Atinge seus objetivos nos laboratórios Cavendish, da Universidade de Cambridge, Reino Unido, onde aprende técnicas de difração do raio X e trabalha com Crick na pesquisa da estrutura do DNA. Em 1953 consegue ver os componentes da substância essencial da vida, suas quatro bases orgânicas, unidas aos pares, e formula o modelo de sua estrutura, bem como de seu mecanismo de duplicação.
O resultado da pesquisa é publicado no jornal britânico Nature no mesmo ano. Em 1955 vai para a Universidade Harvard e trabalha como professor de biologia (1961-1976), pesquisando o papel dos ácidos nucléicos na síntese de proteína.