A Berkeley egyetemen Robert Oppenheimer irányítása mellett doktorált. 1938-tól a Columbia Egyetem munkatársa, 1948-51-ig professzora. A 2. világháború idején a radar fejlesztésén dolgozott. A Stanford Egyetem fizikaprofesszora volt 1951-1956-ig. 1955-ben Polykarp Kusch-sal megosztva fizikai Nobel-díjat kapott a hidrogén finomszerkezetével kapcsolatos kísérleti eredményeiért. Ezek az eredmények megcáfolták P. A. M. Dirac egy korábbi feltételezését, és az elektromágneses jelenségek kvantumelméletének továbbfejlesztéséhez vezettek. Ezután 1956-62 között az Oxfordi Egyetem, majd 1962-74 között a Yale Egyetem fizikaprofesszora volt. 1974-ben a fizika és az optikai tudományok professzora lett az Arizonai Egyetemen.