Estudió Ciencias Naturales en la Sorbona y en universidades estadounidenses y se doctoró en 1951. En 1954 fundó el Servicio de Bioquímica Celular en el Instituto Pasteur de París, del que pasó a ser director en 1971. Fue profesor de la Facultad de Ciencias de París a partir de 1959 y catedrático de biología molecular en el Collège de France desde 1967. El azar y la necesidad, su obra más conocida por el gran público, apareció en 1970. Junto con André Michel Lwoff y François Jacob, estudió los mecanismos de la regulación genética en su vertiente celular y demostró la existencia del ARN mensajero, trabajos por los que, en 1965, se les concedió a los tres científicos el Premio Nobel de Fisiología y Medicina.