È stato uno dei fondatori della biologia molecolare. Allievo dell'istologo G. Levi a Torino, nel 1940 si stabilì negli USA, dove iniziò a lavorare sulla genetica dei virus e dei batteri, conseguendo risultati fondamentali (sui meccanismi di mutazione e riproduzione del DNA) per i quali solo nel 1969 ricevette il Nobel, condiviso con Delbrück e Hershey (i tre formavano il cosiddetto gruppo del fago). Dal 1947 cittadino americano, insegnò successivamente a Bloomington, e al MIT, dove condusse importanti ricerche in diversi campi della biologia molecolare (sui meccanismi di infezione dei virus, sulle membrane cellulari), dedicandosi poi anche alla ricerca sul cancro.