Nació el 25 de julio de 1956 en Pittsburgh (Estados Unidos) en una familia acomodada. En su juventud hizo autostop a Washington para unirse a las protestas contra la guerra de Vietnam y trabajó como camarera y taxista para costearse su carrera. En 1979 se licenció en Ingeniería Mecánica y Espacial en la Universidad de Princeton (Nueva Jersey).
En 1985 se doctoró en la Universidad de California (Berkeley) y, en 1986, se trasladó al California Institute of Technology (Caltech), en Pasadena, donde se propuso desarrollar proteínas que solucionasen problemas químicos de la humanidad, quería convertirse en ingeniero del mundo biológico, específicamente en ingeniero de proteínas.
Venciendo las reticencias de muchos científicos, en 1993, logró mejorar una enzima por evolución dirigida.
Es autora de numerosas patentes, tenaz defensora de la química industrial “verde” y la única mujer miembro de las tres academias norteamericanas: Academia Nacional de Ingeniería (2000), Academia Nacional de Medicina (2004) y Academia Nacional de Ciencias (2008).
En 2013 recibió en la Casa Blanca la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación; en 2016 fue la primera mujer en recibir el Premio Millennium de Tecnología de Finlandia, y, en 2018 su exitosa trayectoria fue coronada con el Premio Nobel de Química, por impulsar la primera evolución dirigida de enzimas. Se convertía así en la quinta mujer galardonada en esa disciplina.
Actualmente es catedrática de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica y lidera un laboratorio dedicado a la evolución dirigida y sus aplicaciones en síntesis química respetuosa con el medio ambiente en el California Institute of Technology.
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