Tsien ble født i New York i 1952. Han ble Bachelor i kjemi og fysikk ved Harvard College i 1972. Tsien fortsatte ved "the Physiological Laboratory" ved University of Cambridge der han fikk sin Ph.D. i fysiologi i 1977 med avhandlingen Han fortsatte som forsker i Cambridge frem til 1981. Fra 1982 til 1989 jobbet han ved Berkeley og gjorde banebrytende arbeid innen "calcium imaging", blant annet utviklet han kalsiumindikatoren Fura-2 i 1985 som har vært et mye brukt verktøy gjennom årtier. Han ble professor Avdeling for kjemi og biokjemi ved University of California, San Diego fra 1989.