Inicialmente se matriculó en la Universidad de Harvard para estudiar medicina, pero obtuvo allí un doctorado en Bioquímica en 1976.
Fue luego, hasta 1978, becario posdoctoral en el Instituto Tecnológico de Massachusetts.
[3] En 2002 ganó el Premio Lasker de investigación médica básica.
En el 2013, se le otorgó el Premio Nobel de Medicina junto a Randy Schekman y Thomas C. Südhof, porque "descubrieron los principios moleculares que gobiernan cómo se entrega la carga, en el lugar correcto, en el momento adecuado, en la célula”.
Rothman en particular, descubrió cómo funciona una proteína que permite que las vesículas celulares se fusionen con sus objetivos, para luego lograr la transferencia de la carga.