Genzel studerte fysikk ved universitetet i Bonn, der han fikk sin doktorgrad i 1978 og senere arbeidet han ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Massachusetts. Han var også professor ved University of California, Berkeley fra 1981. Han holdt flere flere forelesninger ved Ludwig-Maximilians-Universität München før han begynte som professor der i 1988.