Uznawany jest za jednego z ojców nowoczesnej biologii rozwoju.
Studiował medycynę na Uniwersytecie w Heidelbergu. W 1895 roku ukończył studia z zakresu zoologii, botaniki i fizyki. Zasłynął odkryciem tzw. organizatora zarodkowego (organizera Spemanna), czyli grupy komórek w rozwijającym się zarodku, które kierują rozwojem innych tkanek i pomagają ustalić plan budowy całego organizmu.
W 1935 roku, za odkrycie funkcji centrów organizujących wczesny rozwój zarodkowy zwierząt, otrzymał Nagrodę Nobla z dziedziny fizjologii i medycyny.