A Madridi Egyetemen 1929-ben szerzett orvosi diplomát. Ezután két éven át a Heidelbergi Egyetemen, Otto Meyerhof német biokémikus irányításával tanulmányozta az izmok biokémiáját és élettanát. 1935-ben a Madridi Egyetem Orvostudományi Kutatóintézete élettani részlegének vezetője lett. Az Oxfordi Egyetemen eltöltött évei (1938-41) alatt azt vizsgálta, mi a tiamin (B1-vitamin) szerepe az élő szervezetben. 1942-ben a New York-i Egyetem orvostudományi karának tudományos munkatársa, majd 1946-ban az intézmény farmakológiaprofesszora lett. 1954-ben a biokémiai tanszék professzorává és elnökévé nevezték ki. 1974 és 1985 között a Roche Molekuláris Biológiai Intézetben dolgozott, majd a Madridi Autonóm Egyetemen tanított. Az amerikai állampolgárságot 1954-ben kapta meg.
Nobel-díjjal jutalmazott felfedezését 1955-ben
tette, miközben a magas energiatartalmú foszfátvegyületeket
tanulmányozta. Az új enzimet polinukleotid-foszforiláznak
nevezte el. Később megállapították,
hogy az enzim az élő szervezetben nem felépíti,
hanem lebontja az RNS-t, ám kémcsőben ezzel éppen
ellentétes irányú folyamatot katalizál. Az
enzim rendkívül hasznosnak bizonyult a kutatók számára,
mert lehetővé tette, hogy megismerjék és lemásolják
azt a folyamatot, amelynek során a génekben tárolt
örökletes információ alapján, az RNS közvetítésével
az egyes sejtek jellegét és működését
meghatározó enzimek termelődnek.