Estudió Medicina en la Universidad de Lisboa y se especializó en neurología para después trasladarse a Estados Unidos a ejercer como investigador en neurociencia. 

Gracias a sus contribuciones en el estudio de la conciencia y los procesos cerebrales vinculados a los sentimientos, grandes misterios en el estudio de la mente humana, se ha convertido en uno de los nombres de referencia del campo y cuenta con importantes reconocimientos como el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica (2015) o el Premio Grawemeyer (2014), así como el título honoris causa de diversas universidades de todo el mundo. Actualmente, ocupa la Cátedra David Dornsife en Neurología, Filosofía y Psicología y dirige el Instituto Brain and Creativity de la Universidad del Sur de California. 

Es el autor de varios libros de divulgación científica y de otros especializados que han permitido una amplia difusión de sus descubrimientos, así como de las principales incógnitas que todavía gobiernan la neurociencia. Entre su obra, publicada en castellano y catalán por la editorial Destino y traducida a más de treinta lenguas, destacan libros que combinan ciencia y filosofía como El error de Descartes (1994), donde pone en cuestión una de las grandes asunciones del pensamiento occidental: la existencia independiente de la mente respecto al cuerpo; I el cervell va crear a l’home (2010), donde revisa la evolución de la mente humana y los orígenes de la conciencia; o la recopilación de artículos divulgativos Sentir y saber. El camino de la conciencia (2021).