W 1949 roku jego rodzina wyemigrowała do Stanów Zjednoczonych. W 1958 roku ukończył Uniwersytet Columbia. W 1962 roku uzyskał stopień naukowy doktora chemii. Zajmował się chemią teoretyczną. W 1968 roku został profesorem Uniwersytetu Cornella w Ithaca w USA.
W 1981 roku wraz z Kenichi Fukui otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za teorie, rozwijane niezależnie od siebie, związane z przebiegiem reakcji chemicznych.
W 1962 roku jako pierwszy amerykański astronauta wykonał orbitalny lot - wykonał 3 okrążenia Ziemi w ciągu nieco poniżej 5 godzin.
W wieku 77 lat odbył drugi lot kosmiczny na pokładzie Discovery. Po dziś dzień jest najstarszym astronautą w kosmosie.
W latach 1974 - 1999 pełnił funkcję senatora USA ze stanu Ohio.
Pracował głównie nad elektrodynamiką klasyczną. W 1902 roku, wraz z Pieterem Zeemanem, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Jego imieniem nazwano nagrodę przyznawaną przez Królewską Holenderską Akademię Sztuk i Nauk za wkład w fizykę teoretyczną - Medal Lorenza. Pierwszym laureatem był Max Planck.