Fisico, ha studiato, insieme a Millikan, le proprietà della radiazione cosmica, scoprendo l'elettrone positivo, detto positrone, che appare come prodotto dalla disintegrazione dei nuclei atomici operata dai raggi cosmici.
Proseguendo nelle ricerche, scoprì, nel 1935, un'altra particella elementare, il muone.

Per la scoperta del positrone è stato insignito del premio Nobel per la fisica nel 1936.

Dal 1939 è stato professore di fisica nel California Institut of Technology.