Estudió química en el Instituto Tecnológico de California, donde se licenció en 1928.Posteriormente amplió sus estudios en la Universidad de Princeton, donde se doctoró en 1932.En 1940, junto a Philip Abelson, consiguió crear el elemento sintético llamado neptunio (Np), un producto obtenido a partir del uranio-239, usando el ciclotrón instalado en Berkeley.Durante la Segunda Guerra Mundial estuvo implicado en la investigación sobre el radar, sonar y las armas nucleares en el Proyecto Manhattan.En 1945 desarrolló, así mismo, las ideas para la mejora del ciclotrón, conduciendo al desarrollo del sincrotrón.
McMillan y
Lawrence
, su futuro cuñado, en los paneles del ciclotrón de 60 in, en 1939.
