Han studerte ved University College of North Wales (UCNW). Han studerte genetikk ved Edinburgh Universitetet mellom 1951 og 1957. Her tok han sin doktorgrad i 1955. Etter studiene arbeidet i ett år ved California Institute of Technology og i 1958 begynte han å arbeide ved National Institute for Medical Research i London. Fra 1963 arbeidet han ved University of Cambridge. I 1968 startet han samarbeidet med legen Patrick Steptoe. Deres banebrytende og omstridte forskning førte til at verdens første prøverørsbarn Louise Brown ble født i 1978. I 1980 grunnla han verdens første IVF-klinikk Bourn Hall i Cambridge. Som følge av metoden som de utviklet har over 4 millioner barn er født ved hjelp av IVF.