Laureatosi in fisica alla Cornell University nel 1954, passa alla Harvard University dove sotto la supervisione di Julian Schwinger consegue il PhD nel 1959. Dopo un periodo trascorso al Niels Bohr Institute di Copenhagen e al CERN (1958-60), vince una borsa di ricerca al Caltech (1960-61) e l'anno successivo è assistente alla Stanford University. Propone in questi anni il primo abbozzo di un modello che negli anni Settanta avrebbe portato alla teoria unificata delle interazioni elettromagnetiche e deboli (teoria elettrodebole) per la quale, insieme a Abdus Salam e Steven Weinberg, vince il premio Nobel per la fisica nel 1979. Nel 1970, in collaborazione con John Iliopoulos e Luciano Maiani, propone l'estensione del modello a quark (ai tre quark originari, up, down e strange, è aggiunto un quarto quark, charm), per eliminare alcune anomalie incontrate nella costruzione della teoria elettrodebole (il meccanismo di eliminazione prende il nome di "meccanismo GIM"). Dal 1966 è professore di fisica alla Harvard University. Oggi professore emerito, continua a lavorare in fisica delle particelle e in cosmologia nell'ambito delle teorie di grande unificazione.