Il reçoit son bachelor of Arts de chimie en 1937 de l'université Washburn à Topeka puis son doctorat en 1942 à l'école de médecine de l'université Washington à Saint Louis. Il sert comme médecin pendant la Seconde Guerre mondiale. Après la guerre il retourne à l'université Washington comme chercheur au laboratoire du Nobel Carl Ferdinand Cori.
En 1953 il devient directeur du département de médecine de l'université Case Western Reserve à Cleveland où il découvre le rôle de l'AMP cyclique comme médiateur de l'action de certaines hormones. En 1963, désirant limiter son activité à la recherche, il se déplace à l'école de médecine de l'université Vanderbilt à Nashville où il est professeur de physiologie jusqu'en 1973.
Il est élu à la National Academy of Sciences en 1966, gagne le prix Albert Lasker pour de la recherche fondamental en médecine en 1970, le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1971 et la National Medal of Science en 1973. Au moment de sa mort en 1974 il est professeur à l'école de médecine de l'université de Miami.