Va estudiar Medicina a la Universitat de Lisboa i es va especialitzar en neurologia per després traslladar-se als Estats Units a exercir com a investigador en neurociència. 

Gràcies a les seves contribucions en l’estudi de la consciència i els processos cerebrals vinculats als sentiments, grans misteris en l’estudi de la ment humana, s’ha convertit en un dels noms de referència del camp i compta amb importants reconeixements com el Premi Príncep d'Astúries d'Investigació Científica i Tècnica (2015) o el Premi Grawemeyer (2014), així com el títol honoris causa de diverses universitats d’arreu del món. Actualment, ocupa la Càtedra David Dornsife en Neurologia, Filosofia i Psicologia i dirigeix l’Institut Brain and Creativity de la Universitat del Sud de Califòrnia. 

És l’autor de diversos llibres de divulgació científica i d’altres especialitzats que han permès una àmplia difusió dels seus descobriments, així com de les principals incògnites que encara governen la neurociència. Entre la seva obra, publicada en castellà i català per l’editorial Destino i traduïda a més de trenta llengües, destaquen llibres que combinen ciència i filosofia com El error de Descartes (1994), on posa en qüestió una de les grans assumpcions del pensament occidental: l’existència independent de la ment respecte al cos; I el cervell va crear l’home (2010), on revisa l’evolució de la ment humana i els orígens de la consciència; o el recull d’articles divulgatius Sentir y saber. El camino de la consciencia (2021).