Laureatosi a Tokyo nel 1952, negli anni '40, durante la formulazione dell'elettrodinamica quantistica, collabora con Sin-itiro Tomonaga uno dei padri della nuova teoria. Nel 1952, è invitato all'Institute for Advanced Study a Princeton. Nel 1958 diventa professore di Fisica all'Università di Chicago. Ha dato numerosi contributi allo sviluppo delle teorie delle particelle elementari, in particolare introducendo nel 1960, insieme a Giovanni Jona-Lasinio, il meccanismo di rottura spontanea della simmetria, meccanismo ancora oggi al centro delle ricerche miranti a una teoria unificata delle interazioni esistenti in natura, e proponendo, nel 1970, il primitivo modello della corda vibrante poi diventata stringa (indipendentemente introdotto nello stesso anno anche da H. Nielsen e L. Susskind).