Znany jest z przełomowego odkrycia odwracalnej fosforylacji białek, podstawowego mechanizmu regulującego procesy komórkowe.
W 1993 roku wspólnie z Richardem J. Robertsem otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za „za odkrycie genów kodujących rRNA u eukariotów”.
Jego prace przyczyniły się do lepszego zrozumienia struktury i funkcji genów, co miało ogromne znaczenie dla rozwoju nowych metod badawczych w biologii molekularnej i genetyce.
W 1965 roku ukończył studia na Uniwersytecie Michigan. Po studiach podjął pracę w przemyśle - pracował dla firmy Shell Oil Company.
Wkrótce powrócił do pracy naukowej i w 1973 roku na Uniwersytecie w Princeton zdobył tytuł doktora. Prowadził badania dotyczące rozwoju ponaddźwiękowych promieni w laserowej spektroskopii.
W roku 1985, podczas prac nad elementami astronomicznej ciemnej materii, które prowadził wraz z Robertem Curlem i Haroldem Kroto odkrył nową formę węgla – fuleren, za co w 1996 roku, wraz z Curlem i Kroto, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
Studiował w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu, a następnie prze dwa lata prowadził badania nad nadprzewodnictwem na Uniwersytecie Rutgers w New Brunswick, New Jersey.
Po powrocie do Szwajcarii w 1963 roku dołączył do laboratorium IBM Research, gdzie wraz z Gerdem Binnigiem skonstruował mikroskop tunelowy skaningowy, za co w roku 1986 roku obaj otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Znany jest z badań nad metabolizmem glikogenu i regulacją aktywności enzymów, takich jak fosforylaza glikogenowa. Jego odkrycia przyczyniły się do lepszego zrozumienia procesów biochemicznych zachodzących w organizmie człowieka, miały istotny wpływ na rozwój biochemii i biologii molekularnej, a także na leczenie chorób metabolicznych i nowotworów.
W 1992 roku wraz z Edmondem H. Fischerem został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny „za odkrycie mechanizmów regulujących procesy metaboliczne w organizmach”.
Jego prace położyły podwaliny pod nowoczesną elektronikę, szczególnie w dziedzinie transmisji radiowej i technologii wyświetlania.
Wynalazł pierwszą lampę elektronopromieniową z systemem odchylania magnetycznego, która stała się znana jako „lampa Brauna”. Opracował jeden z pierwszych detektorów kryształowych („coherer”) dla sygnałów radiowych. Ulepszył nadajniki iskiernikowe i obwody detekcji koherentnej.
W 1909 roku wspólnie z Guglielmo Marconim otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za wkład w rozwój telegrafii bezprzewodowej ”.
Był założycielem Telefunken , jednej z pionierskich firm telekomunikacyjnych i telewizyjnych.