A berlini és a göttingeni egyetemen tanult, majd a chicagoi egyetem munkatársa lett. Itt végezte 1909-ben híres olajcseppkísérletét, amellyel meghatározta az elemi elektromos töltés értékét. Igazolta Einstein fényelektromos egyenletét is, meghatározta a Planck-állandó pontos értékét. 1921-ben a Kaliforniai Műszaki Egyetem pasadenai Norman Bridge Fizikai Intézetének igazgatója lett. Itt kozmikus sugárzási kísérletekbe kezdett. Az intézet végrehajtó tanácsának 1945-ig, visszavonulásáig volt az elnöke. 1923-ban fizikai Nobel-díjjal tüntették ki az elemi elektromos töltésre és a fényelektromos hatásra vonatkozó munkájáért.