Окончил Чикагский университет (бакалавр, 1951). Степень доктора философии по физической химии получил в Калифорнийском технологическом институте в 1957 году под началом Лайнуса Полинга. Затем фелло-исследователь, ассистент-профессор химии, старший фелло-исследователь там же. С 1960 года работает в Гарвардском университете: ассоциированный профессор, с 1964 года полный профессор, с 1976 года именной профессор. Известность принесли исследования по репликации ДНК — эксперимент Мезельсона и Сталя. В 1961 году вместе с Франсуа Жакобом и Сиднеем Бреннером подтвердил существование мРНК. С 1963 года занимается вопросами контроля биологического и химического оружия, в том числе расследованием случаев аварий на заводах по производству этих вооружений, например эпидемией сибирской язвы в Свердловске.