En 1961, il reçoit son Bachelor of Science à Sheffield, puis son doctorat à la même institution. Sa thèse concerne le spectre des radicaux produits par photolyse éclair (rupture de liaison chimique par la lumière)
Entre autres chose tel que la première fabrication de phosphaalkenes (des composés possédant des liaisons doubles carbone-phosphore), ses études doctorales contiennent des recherches non publiés sur le suboxyde de carbone, O=C=C=C=O, ce qui le conduit à s'intéresser aux molécules contenant des chaînes carbonées possédant plusieurs liaisons multiples. Il débute son travail dans le domaine de la chimie organique mais quand il apprend la spectroscopie, il se tourne vers la chimie quantique.
Après ses recherches post-doctorales au Conseil national de recherches Canada et aux Laboratoires Bell aux États-Unis, il commence à enseigner à l'université de Sussex en 1967. Il devient professeur en 1985 et professeur de la Royal Society de 1991 à 2001.
Dans les années 1970, il lance un programme de recherche de chaînes carbonés dans l'espace interstellaire. Des études antérieures ont détectées du cyanoacétylène (H-C≡C-C≡N), le groupe de Kroto cherche des évidences de chaînes similaires plus longues tel que le cyanobutadiyne (H-C≡C-C≡C-C≡N) et le cyanohéxatriyne (H-C≡C-C≡C-C≡C-C≡N) et les découvrent en 1975.
L'explication de leurs présences conduit à la découverte de la fullerène, C60. Kroto entend parler des travaux de spectrographie laser de Richard Smalley et de Robert Curl à l'Université Rice. Il suggère d'utiliser l'appareillage de Rice pour simuler la chimie qui apparaît dans l'atmosphère des étoiles carbonées.
L'expérience se déroule en septembre 1985 et montre que les étoiles carbonées peuvent produire les chaînes découvertes mais aussi permet la découverte totalement inattendue du C60. Les trois scientifiques ont travaillé avec Jim Heath, Sean O'Brien et Yuan Liu. Le prix Nobel de chimie est partagé par Curl, Kroto et Smalley en 1996.
En 1995 Kroto crée une organisation à but non lucratif, The Vega Science Trust, pour créer des films éducatifs de qualité pour la diffusion télévisée et via Internet. Vega a produit 92 programmes dont 50 ont été diffusés par la BBC aux heures tardives de faibles écoutes. Le nombre d'auditeurs varie entre 300 000 et 600 000.
En 2010, Kroto travaille dans le domaine des nanotechnologies. Il estime qu'il faudra encore 25 ans avant de voir les premières réalisations pratiques dans ce domaine.