Etter å ha studert fysikk ved Université de Lausanne mottok Mayor i 1971 sin doktorgrad i astronomi ved observatoriet for astronomi i Genève. Hans forskningstermin ble gjennomført ved observatoriet i Cambridge, European Southern Observatory (ESO) i Chile og ved Instituttet for astrofysikk ved University of Hawaii. Mayor var medforfatter av over 200 vitenskapelige publikasjoner. Mayor var ansatt ved instituttet for astronomi ved Universitetet i Genève. Han gikk formelt av med pensjon i 2007, men var fremdeles aktiv som professor emeritus etter dette.